Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
Двигаясь в направлении от поверхности в глубь мембраны,электрон переносится от Счл к гему а и далее к комплексу гема а3 и Сив, последнему компоненту дыхательной цепи, который восстанавливает 02:
Цитохром с Си4 гем а —> гел а3 — Сив —» 02. (\ 5)
Рис. 50. Профили гидрофобностп субъединиц I, II и III цитохромоксидазы бычьих митохондр ий
Номера аминокислотных остатков указаны на абсциссе. Римские цифры обозначают предполагаемые трансмембранные а-спиральные колонны, образованные гидрофобными аминокислотами (по: Викстрем и соавт. [1598])
т Ж Ш М /00 МП /00 200
134
3. Первичные АцН-генераторы
Предполагается, что молекула кислорода, связываясь с цито-хромоксидазой и восстанавливаясь, образует перекисный интермедиат, где группа —О—О— играет роль лиганда, связывающего железо гема а3 и Сив [1598].
Следует подчеркнуть, что расстояния между редокс-центрами в цитохромоксидазе оказываются того же порядка, как между простетическими группами в комплексе фотосинтетических реакционных центров Rps. viridis или как между двумя темами в цитохроме Ъ. Это означает, что механизм переноса электронов во всех названных случаях может быть общим.
В то же время не исключены и взаимодействия, специфичные для цитохромоксидазы. Так, например, предполагается, что перенос электронов от СиА, сидящей на субъединице II, к гему а на субъединице I происходит через кластер ароматических аминокислот, включающий два остатка триптофана и четыре остатка тирозина [335].
3.4.5.4. Механизм генерации А|1Н
В первоначальном варианте хемиосмотической гипотезы Митчел [1043] предположил, что зарядка мембраны посредством АрСН-ге-нераторов редокс-типа обусловлена трансмембранным перемещением электронов (схема «петель»). Позднее этот принцип был в основном подтвержден применительно к фотосинтетическим реакционным центрам.
На первый взгляд подобная схема неприменима к цитохромоксидазе, поскольку показано, что редокс-центры этого фермента располагаются так близко друг к другу и к внешней поверхности мембраны, что электрон может быть перенесен на расстояние, не превышающее половины толщины мембраны (см. выше рис. 48, б). Однако не исключено, что щель между доменами Мх и М2, видная под электронным микроскопом (рис. 48, а), достаточно глубоко проникает в толщу мембраны, чтобы пересечь внутренний липидный монослой. В этом случае край гема а3 мог бы оказаться в контакте с водной фазой матрикса.
Более существенно, что схема «редокс-петли» оказывается неспособной объяснить важное наблюдение, сделанное Викстре-мом ([1593, 1595]; см. также [1585]). Было показано, что добавление доноров электронов (ферроцианида либо цитохрома с) к митохондриям или цитохромоксидазным протеолипосомам вызывает временное закисление инкубационной среды, которое обусловлено работой цитохромоксидазы и снимается разобщителями — про-тонофорами. Как удалось установить в опытах с протеолипосома-ми, ионы Н+, выделенные в среду, черпаются из внутреннего пространства этих пузырьков: заметное закисление имело место лишь в том случае, если пузырьки содержали рН-буфер [1597, 1598].
3.4. Дыхательная цепь
135
Эти наблюдения находятся в противоречии со схемой «редокс-петли», согласно которой окисление донора электронов должно вызывать защелачивание внутри митохондрии (протеолипосомы) без всякого закисления снаружи.
Качественный эксперимент Викстрема был затем подтвержден расчетом количества ионов Н+, выделяющихся при окислении митохондриями донора электронов. Отношение Н+/е- оказалось равным единице. В вывернутых субмитохондриальных пузырьках цитохромоксидазная реакция сопровождалась защелачиванием среды, причем отношение Н+/е_ было близко к двум. Как в митохондриях, так и в вывернутых пузырьках цитохромоксидаза генерировала AY (внутри митохондрий знак «минус», внутри пузырьков — «плюс»), И в том, и в другом случае перенос одного электрона от цитохрома с к кислороду сопровождался транспортом двух зарядов через мембрану [1597].
Все эти соотношения могут найти свое объяснение в рамках схемы, изображенной в общем виде на рис. 41, а (см. выше). Как видно из схемы, окисление одной молекулы цитохрома с кислородом имеет следствием трансмембранный перенос двух зарядов благодаря взаимодействию следующих процессов: 1) переноса одного электрона на полумембранную толщину (от цитохрома с к а3); 2) переноса одного протона на полумембранную толщину (из матрикса к гему а3); 3) переноса еще одного протона через всю толщу мембраны (из матрикса в межмембранное пространство).
Описанная система получила название цитохромоксидазного протонного насоса. Ее конкретный вариант, изображенный на рис. 41, а, постулирует существование двух отдельных ДйН-ге-нераторов, включенных последовательно на конечном отрезке дыхательной цепи, т. е. между цитохромом с и 02. Изменение редокс-потенциала на этом участке равно 0,57 В. Эта величина столь значительна, что освобождающейся энергии хватит не только на два пункта энергетического сопряжения, но и на обеспечение необратимости последней стадии внутриклеточного дыхания.
В принципе говоря, общий окислительно-восстановительный процесс, катализируемый цитохромоксидазой, можно разбить на две группы парциальных реакций, одна из которых характеризуется изменением редокс-потенциала от -(-0,22 В до +0,38 В, а другая — от +0,38 В до +0,82 В. Было обнаружено, что система гемов а — а3 характеризуется двумя среднеточечными редокс-потенциалами, в которые вносят вклад оба гема (+0,22 В и +0,38 В). Оба перехода зависят от pH, как если бы восстановление сопровождалось присоединением протона [1597]. В то же время редокс-потенциалы Си\ и Сив (0,24 В и 0,34 В) от pH не зависят [542, 946].
