Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
Важно, что эффективность дыхательной цепи, включающей три цикла, намного выше той, что была первоначально постулирована в схеме редокс-петель Митчела [1043]. Здесь на каждую молекулу
NADH+H
3. Первичные ЛиН-генераторы
3.4. Дыхательная цепь
141
Рис. 52. Возможное расположение комплексов I, III, IV и цитохрома с в митохондриальной мембране Жирная линия, напоминающая вензель, показывает наиболее вероятную траекторию движения восстановительных эквивалентов от NADH к 02. F, Q и О — соответствующие редокс-циклы [133]
NADH, окисленную кислородом, переносится через мембрану 10 протонов, а неб, как на схеме редокс-петель.
Величина Н+/0 порядка 10 обсуждается в настоящее время как наиболее вероятная [133, 727].
Чтобы объяснить столь высокое Н+/0 в рамках линейной схемы дыхательной цепи, приходится постулировать пять AjIH-ге-нераторов (пять редокс-петель). В схеме цепи, состоящей из трех циклов, достаточно трех AjIH-генераторов. Это согласуется с тем фактом, что только три комплекса дыхательных ферментов (I, III и IV) включены в цепь между NADH и 02 и каждый из них может независимо действовать как AjIH-генератор, будучи очищенным и включенным в протеолипосому. Попытки дальнейшего фракционирования комплексов дают препараты, способные к переносу электронов, но не к генерации AjIH. Кроме того, опыты с искусственными донорами и акцепторами электронов указывают, что в нативной NADH-оксидазной системе митохондрий есть только три (а не пять) места энергетического сопряжения.
На рис. 52 дана схема упаковки комплексов I, III и IV в митохондриальной мембране и показана возможная траектория потока восстановительных эквивалентов (жирная линия). Согласно схеме комплексы III и IV закреплены в мембране таким образом, что их крупные гидрофильные домены вынесены в воду по разные стороны мембраны. Домен комплекса III смотрит в матрикс, а домен комплекса IV — в межмембранное пространство [133, 1598]. Есть основания считать, что комплекс I выдвинут в матрикс (см. раздел 3.4.4). Подобное расположение трех самых массовых и крупных по размеру олигоферментных комплексов митохондрий позволяет достичь более компактной упаковки, чем если бы все три комплекса были смещены к одной и той же стороне мембраны. Это обстоятельство представляется благоприятным и в том случае, если три комплекса независимо существуют в мембране и не объединяются в NADH-оксидазный суперкомплекс, будучи связанными друг с другом подвижными редокс-переносчиками: CoQ и цитохромом с.
142
3. Первичные ДцН-генераторы
3.4.7. Укороченные дыхательные цепи, генерирующие AjSH
Для большинства бактерий эффективность дыхательной цепи оказывается ниже, чем в митохондриях. Это обстоятельство может быть следствием по крайней мере трех разных причин: 1) более простого устройства механизма переноса электронов; 2) шунтирования некоторых AjIH-генераторов дыхательной цепи системами свободного окисления и 3) укорочения цепи при использовании доноров электронов, по редокс-потенциалу более положительных, чем NADH, или акцепторов электронов, более отрицательных, чем 02.
Как уже отмечалось выше (раздел 3.4.4), NADH—CoQ-редукта-за Е. coli выглядит как упрощенный вариант гомологичного фермента митохондрий. Она содержит только два редокс-центра (FMN и один FeS-кластер) вместо шести в митохондриях. Ротенон, амитал и другие ингибиторы, блокирующие перенос электронов между FeSj2 и CoQ, не влияют на дыхательную цепь Е. coli. Это обстоятельство может иметь большой биологический смысл, так как именно восстановление CoQ является наиболее медленным и легко уязвимым звеном дыхательной цепи, которое тормозится широким кругом гидрофобных агентов, сильно различающихся по своей структуре (см., например, [231]). Можно предположить, что простая, устойчивая к ингибиторам дыхательная цепь Е. coli дает этой бактерии известные преимущества для выживания в неблагоприятных условиях. Подобный подход можно использовать для объяснения функции шунтов свободного окисления, которые также типичны для бактериального дыхания.
Альтернативное толкование состоит в том, что E.coli находится на более низкой ступени эволюции по сравнению с митохондриями и потому имеет более низкую эффективность начального сегмента дыхательной цепи. Есть данные [1461], что отношение Н+/е" для NADH—CoQ-редуктазного звена E.coli не больше единицы, в то время как в митохондриях оно равно, по всей вероятности, двум.
Такая организация NADH—CoQ-редуктазы не есть свойство, общее для всех бактерий. У P.denitrificans соотношение Н+/е~ для того же сегмента цепи, по-видимому, равно 2. NADH—CoQ-pe-дуктаза Rh. rubrum чувствительна к ротенону [758].
3.4.7.1. Восстановление нитрата
Есть много примеров, когда уменьшение числа AjIH-генераторов в редокс-цепи несомненно оказывается следствием адаптации к специфическим условиям в нише, занимаемой данным видом бактерий.
3.4. Дыхательная цепь
143
Наиболее типичным примером такой ниши могут служить среды, в которых нет кислорода, но есть какой-либо другой окислитель с положительным редокс-потенциалом. Так, существует довольно много бактерий, восстанавливающих нитрат до нитрита (редокс-потенциал пары N02/N03 равен + 0,42 В). Если восстановителем служит NAD(P)H (потенциал — 0,32 В), то соответствующая редокс-цепь может использоваться для генерации AjIH. Действительно, восстановление нитрата у E.coli сопровождается образованием протонного потенциала [1461]. Отношение Н+/е“ должно быть ниже, если N03 служит окислителем вместо 02 (напомним, что редокс-потенциал пары Н20/02 равен 0,82 В). Измерение коэффициента АТР/2е- у Rhizobium japonicum показало, что эта величина при окислении сукцината кислородом равна двум, а при окислении нитратом — единице [254].
