Биологический каталог




Основы биохимии. Том 1

Автор А.Уайт, Ф.Хендлер, Э.Смит, Р.Хилл, И.Леман

/NADPH по существу равны, в стационарном состоянии живого организма большая часть NAD находится в окисленной форме, в то время как основная масса NADP восстановлена. Этот факт отражает различную роль этих коферментов в метаболизме. NADH в основном генерируется митохондриальными дегидрогена-

12. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. I

443

зами и вновь окисляется электронпереносящей системой; NADPH образуется с помощью цитоплазматических дегидрогеназ, а также митохондриальных трансгидрогеназ из NADH (см. ниже) и используется для восстановительных биосинтезов во всех частях клетки. NADPH не может прямо окисляться митохондриальной системой, аналогичной той, которая действует в случае NADH. Эти два кофермента могут существовать в некотором равновесии друг к другу, которое устанавливается под действием любого фермента, одинаково легко использующего оба кофермента. Имеется несколько таких цитоплазматических ферментов (разд. 13.1), и такое равновесное состояние действительно имеет место. Интересно, каким же образом восстановительная способность дегидрогеназ цикла лимонной кислоты, которые образуют NADH, используется для восстановления NADP+.

В митохондриях печени и сердца осуществляется трансгидроге-назная реакция, которую можно записать следующим образом:

NADH 4-NADP+ + энергия -> NAD1 + NADPH

Процесс протекает только в одном направлении, т. е. равновесие, как видно из написанного, так сильно сдвинуто вправо, что обратный процесс почти невозможно измерить. Трансгидрогеназную реакцию удается продемонстрировать в дышащих митохондриях при фактическом отсутствии АТР, а также в анаэробных условиях, когда используется 1 экв. АТР на 1 моль пиридиннуклеотидов. Соответственно и энергия АТР, и энергия процесса переноса электрона могут утилизироваться для поддержания далекого от равновесия состояния систем NAD/NADP. Трансгидрогеназная реакция катализируется специфическим ферментом во внутренней мембране. Интересно, что атом водорода переносится от ?-стороны никотин-амидного кольца NADH на В-сторону кольца NADP+, что свидетельствует о наложении плоскости колец этих пиридиннуклеотидов на поверхность фермента. Стереоспецифичность дегидрогеназ рассматривается в разд. 13.1.

Транслокация ионов. Матрикс свежевыделенных митохондрий приблизительно изотонпчен в отношении [К+]. При помещении митохондрии в гипотоническую среду или при более быстром воздействии вызывающих набухание агентов, например при обработке мылами, К+ вытекает из внутреннего пространства митохондрии, но может снова накапливаться там во время дыхания. Этот процесс проявляется особенно отчетливо в присутствии валиномицина. К+ или обменивается почти в эквивалентном отношении на внутрц-митохондриальный Н+, или же необходимая для поступления К+ энергия поставляется в виде внешней АТР. Отношение транслоци-рованного К+ к использованному ~ ? составляет около трех. Более того, может быть продемонстрирована и обратная ситуация. Если

444

III. МЕТАБОЛИЗМ

митохондрии предварительно обработаны так, что [К+] в матриксе превышает [К+] в среде, выход К+ из митохондрии в среду может служить движущей силой для образования АТР из ADP и Рг. В последнем случае среда защелачнвается, поскольку протоны поступают в митохондрию (в первом варианте среда закисляется, а матрикс защелачнвается).

Удивительно также свойство митохондрий концентрировать Са2+ или Sr2+ из среды. В среде, богатой Са2+, накопление может осуществляться при отношении Са2+/0»4. Если анионом в омывающей среде является С1~, Са2+ обменивается на Н+, и матрикс защелачнвается. Если анионом в среде является Р„ он следует за Са2+ через мембрану. Концентрирование проходит настолько эффективно, что гранулы гидроксиапатита (гл. 39) могут выпадать в осадок в матриксе. Как и транспорт К+, этот процесс может идти за счет энергии дыхания или экстрамитохондриальной АТР.

12.5.5. Механизм окислительного фосфорилирования

Многие различающиеся по химическим свойствам реагенты разобщают фосфорилирование и митохондриальный транспорт электронов, который в таком случае протекает с максимальной скоростью, но не сопровождается образованием АТР. Необычная природа такого процесса становится еще более очевидной из поведения дыхательных частиц мембраны таких бактерий, как Alcaligenes faecalis. Эти частицы не обнаруживают никакого дыхательного контроля. Скорость дыхания полностью диктуется наличием окисляемого субстрата, и процесс идет с одинаковой скоростью как в присутствии, так и в отсутствие ADP + P,, несмотря на то что если два последние компонента добавлены, то происходит образование АТР. Подобные примеры наблюдаются у многих микроорганизмов, ни у одного из которых не было обнаружено отношение Р/0>2. Напротив, дыхание митохондрий животного или растения осуществляется с максимальной скоростью только в том случае, когда сопрягающий механизм нарушен и синтез АТР ослаблен или полностью прекращен. В течение четверти века в теориях, касающихся механизма окислительного фосфорилирования, доминировала точка зрения, согласно которой в процессе переноса электронов по электронпереносящей цепи должны возникать высокоэнергетические соединения, используемые затем для синтеза АТР, подобно тому как это происходит при гликолизе (гл. 14). Но такие промежуточные продукты не были обнаружены; возможно, что они вообще не существуют.

Вместе с тем все более мощные экспериментальные доказательства свидетельствуют в пользу иной концепции, принципиально уже получившей общее признание и известной под названием химио-осмотической или протондвижущей гипотезы. Основное положение

12 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ I 445

матрикс

внутренняя мембрана

m«SS?2T '\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\

Рис. 12.18. Общая схема окислительного фосфорилирования посредством протон-движущего механизма.

этой концепции состоит в том, что при соответствующей физической организации компонентов внутренней митохондриальной мембраны клетки используют движение протонов в направлении электрохимического градиента (вниз по градиенту) для того, чтобы совершать такую работу, как синтез АТР или передвижение других растворенных веществ против их концентрационных градиентов без образования ковалентно связанных с окислительно-восстановительными парами мембраны промежуточных высокоэнергетических соединений. Для осуществления окислительного фосфорилирования в системе должны происходить процессы, схематически показанные иа рис. 12.18.

Полагают, что белки переносящей электроны цепи расположены в мембране таким образом, чтобы система работала в каком-то одном направлении (векторно); это означает, что в качестве неотъемлемой части процесса восстановления и последующего окисления последовательных электронных переносчиков протоны без сопровождающих анионов выталкиваются с наружной стороны мембраны, т. е. в межмембранное пространство. В результате может произойти как понижение рН в жидкости межмембранного пространства, так и возникновение электрического потенциала ?? на мембране; причем внутренняя сторона ее заряжается отрицательно. Возвращение протонов в обратном направлении через мембрану осуществляется через тот мембранный белок, к которому присоединен Fi — АТР-синтетаза (обратимая АТРаза) с активным центром на внутренней матриксной стороне. Направление и силу

446

III. МЕТАБОЛИЗМ

этому потоку протонов придают как отрицательный заряд на внутренней, матриксной стороне мембраны, так и разность концентраций протонов (???) на обеих сторонах мембраны. Именно этот поток протонов — двигательная сила реакции

ADP3- + Р7-АТР1- + Н20

Сведения об источнике протонов менее определенны. Одна гипотеза утверждает, что выделяемые с наружной стороны мембраны протоны — это именно те специфические протоны, которые генерируются при окислении определенных компонентов электронпе-реносяшей цепи, т. е. при окислении NADH, FMNH2 и CoQH. Тогда выход этих протонов должен представлять собой специфически направленный процесс, направление которого определяется физической организацией мембранных компонентов. Каждая из вышеуказанных окислительно-восстановительных пар мембраны, восстанавливаясь, должна принимать протоны из матрикса, подобно тому как она принимает электроны от своего специфического восстановителя. Другой теоретически допускаемой возможностью является векторно организованный процесс, соответствующий эффекту Бора для гемоглобина (гл. 31). Различные переносчики электронов в восстановленном состоянии могут отдавать один или больше протонов, освобождая их с наружной стороны мембраны, и снова захватывать протоны нз матрикса при новом окислении благодаря язменению конформации и констант диссоциации соответствующих групп. Механизм такого типа необходим для завершающей части процесса, так как протоны не вовлекаются в перенос электронов между цитохромами о, с и цитохромоксидазой, а также потому, что при окислении последней кислородом действительно потребляются протоны. Возможно, оба механизма являются действующими.

Хотя и существует неясность в отношении действительного механизма выделения протонов, его реальное существование не вызывает сомнений. Процесс легко демонстрируется в опытах с интакт-ными митохондриями, фрагментами митохондрий или субмитохонд-рнальными частицами. На основании измерений ранее предполагалось, что на электронную пару на каждом «участке» фосфорилирования, т. е. для каждого комплекса I, III и IV, имеет место выход :2Н+. Более поздние данные свидетельствуют о возможности иной ¦стехиометрии, а именно 4Н+ на электронную пару на каждом участке. Этого достаточно для синтеза АТР и титрования Р< при ¦его транспорте в матрикс. Пройдя через АТРазу и вернувшись в матрикс, протоны завершают свой кругооборот. Движение протонов ют высокого протонного потенциала к низкому аналогично электрическому току, и поэтому уместно, говоря о нем, употреблять термин «протонный ток».

[2. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. I

447

12.5.5.1. Мнтохондриальная АТРаза

Основным компонентом элементарных частиц, выступающих на поверхности внутренней мембраны, является комплекс V, или Са2+-М§2+-зависимая АТРаза, первоначально названная сопряг

страница 87
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106

Скачать книгу "Основы биохимии. Том 1" (7.28Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.09.2019)