Свободный кислород, эволюция клетки - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Для того чтобы исходная редокс-цепь фототрофного типа могла начать функционировать в обратном (дыхательном) направлении, необходимо было как минимум два условия: наличие катаболических путей, питающих цепь переносчиков электронов соответствующими субстратами (например, цикла Кребса), и наличие самоокисляющегося, т. е. способного взаимодействовать
166
с молекулярным кислородом, концевого цитохром а (цитохромоксидазы).
Что касается цикла Кребса,. имеются основания полагать, что он, как и сама дыхательная цепь, возник в результате одномоментного скачка и тоже в результате реверсии уже существовавшего метаболического пути. Напомним, что в группе фототрофов, которую мы считаем наиболее древней, — у зеленых серобактерий — ассимиляция углекислоты, в отличие от других фототрофов и вообще автотрофов, осуществляется не в цикле Кальвина, а в цикле Арнона (с. 125). Вероятно, популяции, ассимилировавшие углекислоту этим древним способом, существовали и среди протоцианей, а возможно, существуют и среди современных цианей (Holm-Hansen, 1968), поскольку из 2000 видов, образующих этот отдел, хорошо изучено лишь несколько десятков. Напомним также, что так называемый короткий вариант цикла Арнона представляет собой как бы «перевернутый» (идущий в обратном направлении и с затратой энергий) цикл Кребса.
Таким образом, к моменту возникновения дыхательной цепи и цикла Кребса почти все необходимые ферменты в природе уже существовали — нужны были лишь экологические условия, при которых система фотоассимиляции углекислоты заработала бы в диссимиляторном .направлении. Это и произошло, когда экологический баланс оказался резко сдвинутым в сторону органического синтеза62.
С цитохромоксидазой дело обстоит несколько сложнее. Молекула классической цитохромоксидазы (цитохрома а + а3 митохондрий млекопитающих) содержит два гема и два атома меди. Наличие в структуре молекулы четырех металлсодержащих групп, каждая из которых, окисляясь, отдает по одному электрону, делает теоретически возможным одновременное восстановление одной молекулы 02 до воды:
02 + 4ё + 4Н+-*2Н20. (39)
При таком соотношении восстанавливающих эквивалентов и кислорода можно, следовательно, в принципе обойтись без освобождения в среду промежуточных токсических продуктов неполного восстановления кислорода, в чем, по-видимому, и состоит преимущество классической цитохромоксидазы перед завершающими оксидазами с иной структурой.
Трудно, однако, представить себе, чтобы столь совершенный фермент, как цитохром а+а3, появился в ходе органического развития сразу же, коль скоро возникла эволюционная необходимость в биоэнергетике дыхательного типа, Этому противоре-
62 На возможность развития компонентов цикла Кребса первоначально у фототрофов с целью фиксации углекислоты указывают также Дикерсон и соавторы (Dickerson, Timkovich, Almassy, 1976).
167
чит прежде всего факт значительного разнообразия завершающих цитохромов в прокариотном аэробном мире. Совершенно очевидно, что классической цитохромоксидазе (свойственной митохондриям эукариотов и лишь некоторым бактериям) должны были эволюционно предшествовать менее удачные варианты оксидаз — с одной или двумя металлсодержащими простетиче-скими группами вместо четырех. Такие оксидазы должны были катализировать соответственно следующие реакции:
02+ё+Н+->НСу, (40)
02 + 2е + 2Н+-+-Н202 (41)
и, следовательно, могли более или менее успешно функционировать лишь в присутствии ферментов, обезвреживающих Н02-(супероксидный радикал в протонированной форме) и Н202, т. е. под протекцией супероксиддисмутазы, каталазы, пероксидазы. При этом терминальные оксидазы с двумя металлсодержащими простетическими группами, каталитическое действие которых было сопряжено с образованием менее токсичного продукта (Н202), имели, очевидно, селективные преимущества перед терминальными оксидазами, катализирующими одноэлектронное восстановление кислорода.
Можно полагать, что в первобытных дыхательных цепях роль терминальной оксидазы выполнял какой-нибудь самоокисляющийся двугемовый цитохром (или димер одногемового цитохро-ма), а перенос электронов в терминальном звене осуществлялся попарно и попеременно на два рода конечных акцепторов: на молекулярный кислород (с образованием Н202) и на перекись водорода (с восстановлением ее до воды). Первый процесс катализировался самим концевым цитохромом, второй — перокси-дазой, которая, наряду с окислением неспецифических ароматических субстратов, способна проявлять субстратную специфичность к цитохромам класса С (Долин*, 1963а). Периодическое переключение дыхательного механизма на тот или другой вид конечного акцептора регулировалось, возможно, по принципу обратной связи — в зависимости.от концентрации перекиси водорода как преимущественного акцептора63. Для элиминации перекиси, образующейся в других (кроме цитохромного дыхания) окислительных процессах, вероятно, использовались пероксидазы окисляющие неспецифические (ароматические) субстраты, или каталаза, сродство которой к перекиси водорода несколько слабее, чем у пероксидаз (Stern, Bird, 1951). 1аким
