клетке 157

новительный потенциал в вольтах, л — массг перенесенных электронов в молях, F — число Фарадея в кулонах на 1 моль. Для Hj/2H+—t-O2-/1!^ (Н.+ +V2O2—i-HjO, см. выше) AG<"= 1,23-2-96500 Дж=—237 кДж (на 2 моля электронов, т. е. на 1 моль Н2).

Электроны при высоком ОВП язляются «высокоэнергетическими» электронами.

4.3.3.2. Цепь дыхания. Окислительш-восстановительная система NAD-H/NAD имеет ОВП —0,32 В. Разность потенциалов по отношению к кислороду (?'0 = 0,81 В см. выше) велика: Д?,'0 = = 1,13 В, откуда AG°' = 218 кДж/моль.

Между NAD-H и 02 располагается цепь транспорта электронов, или цепь дыхания. Такие цепи :остоят из ряда окислительно-восстановительных систем, которые последовательно передают друг другу электроны. Благодфя этому большая разность ОВП (1,13 В) дробится (рис. 4.9,Л) так же как и освобождающаяся энергия (218 кДж/моль), на несколько «раздаточных пунктов», где энергия может передшаться системе ADP—АТР.

®

Дыхательная цепь состоит из о(сидоредуктаз (рис. 4.9) — дегидрогеназ, флавопротеидов, убихшона, цитохромов и белков, содержащих железо и серу. Некоторое из этих белков транспортируют только электроны (е-), дэугие — водород (е-+Н+).

АТР АТР АТР

IJq

В основном они образуют мультиферментные комплексы (4.3.2.3), будучи интегральными белками (3.4.1) внутренней мембраны митохондрий (у прокариот — плазматической мембраны); только большая часть дегидрогеназ слабо связана с внутренней стороной мембраны: это ее периферические белки.

Дегидрогеназы переносят водород с субстрата на свой кофермент, в большинстве случаев NAD+, который слабо связан с ферментом в качестве его косубстрата (4.1.3):

Cy6cTpaT-H2 + NAD+ >- Субстрат 4-NAD-H + Н+. (1>

Флавопротеиды в качестве простетической группы (4.1.3) используют FAD (флавинадениндинуклеотид), реже FMN (фла-винмононуклеотид). Оба фермента содержат рибофлавин (витамин В2). Уравнение реакции:

NAD-H +H+ + FAD >- NAD+ + FADH2. (2>

Водород от NAD-H последовательно переходит к двум флаво-протеидам —FpDl и FpD2 (рис. 4.9). Другие флавопротеиды являются дегидрогеназами и принимают водород непосредственно от субстрата (например, от сукцината; рис. 4.8): Субст-paT-H2+FAD—.-Субстрат-fFAD -Н2.

Убихинон (Uq, кофермент Q) растворим в липидах. Его положение в дыхательной цепи неясно; он может [вопреки уравнению (3)] располагаться между обоими цитохромами 6 (рис-4.9,5). Предполагаемая реакция:

FADHZ + Uq ? FAD + UqHs. (3)

Цнтохромы используют в качестве коферментов железопор-фирины (гемы), переносящие электроны. Порфирины представляют собой кольцевые структуры из четырех пиррольных

R—SСН3

с

СН3 IСН

.с

c_/nVAcm>-cH2-cH2-cooH

< Хг >

V V

н ? I

СН3 СН3сн,-сн,-соон

Рис. 4.10. Простетическая группа цитохрома с. Римские цифры —номера пиррольных колец. R--S—: цистеиновые остатки апофермента.

158 Г лава 4

Обмен веществ и энергии в клетке 159

колец с центральным атомом металла (рис. 4.10). В цитохроме центральный атом железа путем изменения своей валентности осуществляет перенос электронов: FE3+-FE~—*-FE2+.

Дыхательная цепь содержит у животных цитохромы &к, йт, ci, с, а к а3. У растений отличия невелики, у бактерий более значительны. Первым восстанавливается цитохром 6К:

UqHt + 21lHT.fcKFe»+ ». Uq+2Цнт.6к Fe«++ 2Н+. (4)

При переходе электронов от цитохрома к цитохрому валентность железа все время изменяется:

2U,HT.ftKFe2+ + 2IlHT.*TFe«+ ? 2Цит.Ьк. Fe»+ + 2Ujrr.bTFe*f. (5)

е- е- е с Цит. 6Т • >- UHT.CJ «- Цит. с »- Цнт. а —»- Цит.Оз. (6)

В конце концов электроны с помощью цитохромоксидазы переносятся на кислород. Цитохромоксидаза — это мультнфер-ментный комплекс из 7 полипептидных цепей, двух гемов (цитохромы а и а3) и двух атомов меди, которые также участвуют в транспорте электронов (CU2+-|-E-=I=s:CU+). Реакцию можно записать так:

2Цит. a, Ft1* + V А ? 2Цит.о3Ре3+ + Оа-. (7)

Ион О2- в водном растворе не стабилен: O2_-f-H20—>-20Н~. Он реагирует также с Н+, образуя воду (02_+2Н+—*-Н20, или же 20Н-+2Н+—*2Н20). В уравнении (4) освобождаются 2Н+.

Белки, содержащие железо и серу, в которых железо связано через S, находятся в различных участках цепи дыхания вместе с флавопротендамн и ци-тохромами и участвуют в транспорте электронов с изменением валентности Fe (рис. 4.9, Б).

4.3.3.3. Фосфорилирование. Энергия, освобождающаяся при эк-зергонической диссимиляции, сохраняется (несмотря на большие потери в виде тепла) в форме энергии АТР в результате эндергонического фосфорилирования ADP (1.2.7): происходит фосфорилирование на уровне субстрата при окислении различных субстратов дегидрогеназами и фосфорилирование в дыхательной цепи при окислении одного компонента дыхательной цепи следующим компонентом. При анаэробном брожении фосфорилирование на уровне субстрата — единственный источник энергии для синтеза АТР.

Например, при фосфорилироаании на уровне субстрата, сопровождающем окисление 3-фосфоглицеральдегида (4.3.2.1), ДО°'=—46 кДж/моль. В результате образовании 1 моля АТР при стандартных условиях запасается 30, и при внутриклеточных условиях, возможно, 40 кДж/моль (1.2.7; табл. 1.1); остаток теряется в виде тепла. Для перевода энергии из субстрата в АТР необходимы промежуточные реакции, при которых субстрат временно фосфорили-руется (4.3.2.1).

В цепи дыхания от NAD • Н до 02 освобождается 218 кДж на 1 моль NAD-H (4.3.3.2). Из этого количества путем образования 3 молей АТР запасается при стандартных условиях 90 кДж, а в клетке, вероятно, 120 кДж. Ферментный комплекс, образующий АТР,— мембранная АТРаза, состоящая из компонентов Fi и Fo (3.7.1.1.2),— находится на внутренней стороне внутренней митохондриальной мембраны (см. рис. 3.11).

Согласно химической гипотезе фосфорилирования в цепи дыхания, ее компоненты превращаются в промежуточные высокоэнергетические соединения (подобно субстрату при фосфорилировании на уровне субстрата). Это происходит в тех местах, указанных на рис. 4.9, А, где Е/ между двумя компонентами достаточно велико, чтобы обеспечить энергию для образования 1 моля АТР (30—40 кДж), согласно уравнению —-AG"=AEo'-n-F (4.3.3.1).

Согласно хемиосмотической гипотезе, поток электронов насасывает протоны через митохондриальную мембрану, и создающийся при этом электрохимический протонный потенциал доставляет энергию для образования АТР. Согласно этой гипотезе, в дыхательной цепи чередуются оксидоредуктазы, переносящие электроны (е~) и переносящие водород (е--J-H+). Они расположены в мембране так, что принятие Н+ может происходить только на внутренней, а отдача — только на наружной стороне (рис. 4.9,5): протонный насос, приводимый в действие электронами. Мембранная АТРаза была бы вторым протонным насосом, приводимым в действие АТР (4.2.2.4), но работающим обратимо: вместо того чтобы увеличивать градиент протонов при потреблении АТР (4.2.2.4), она может при синтезе АТР снова уменьшать протонный градиент, образующийся при транспорте электронов.

4.3.4. РЕГУЛЯЦИЯ ДЫХАНИЯ

Поток электронов через цепь дыхания неразрывно связан с образованием АТР (сопряжение дыхания и фосфорилирования), и он прервался бы в случае прекращения синтеза АТР. Так как интенсивность образования АТР лимитируется имеющимся количеством ADP, то последнее ограничивает и электронный поток, и интенсивность дыхания.

Реакции, требующие затраты энергии и АТР, приводят к повышению концентрации ADP (АТР—.-ADP+Фосфат) и, следовательно, к повышению интенсивности дыхания. Иными словами, усиленное потребление энергии ускоряет, а уменьшенное — замедляет ее выработку (рис. 4.11). Эта регуляция дыхания очень экономна.

Таким образом, дыхание регулируется метаболитами (продуктами обмена)—изменениями их концентрации без изменения количества или активности ферментов (4.6).

160 Глава 4

Обмен веществ и энергии в клетке 161

Автотрофная ассимиляция. Так как органические вещества представляют собой соединения углерода, то решающее значение имеет ассимиляция углерода. Это процесс восстановления,

который ведет от максимально окисленного исходного вещества С02 к менее окисленным продуктам, таким как углеводы [(СН20)„]. У зеленых растений и синезеленых водорослей источником необходимых для восстановления электронов служит вода (Н20), которая при отнятии электронов окисляется. Автотрофные бактерии не способны к окислению воды, им нужны другие доноры электронов (табл. 4.1). Большую потребность в энергии удовлетворяет свет (фотосинтез, 4.4.1/3) или окисление поглощаемых веществ (хемосинтез, 4.4.4) (табл. 4.1).

С помощью веществ, разобщающих дыхание и фосфорилированне (например 2,4-динитрофенола), нли путем повреждения мембраны можно нарушить сопряжение этих процессов, и тогда интенсивность дыхания уже не будет лимитироваться количеством ADP н сможет возрастать без синтеза АТР.

4.4. АССИМИЛЯЦИЯ

Ассимиляция — это превращение чужеродных веществ в компоненты собственного организма. Автотрофная ассимиляция (4.0; 1.2.3) зеленых растений, синезеленых водорослей и некоторых бактерий — синтез органических веществ из неорганических— имеет огромное значение для всех живых существ («первичная продукция»—1.2.3; 12.5.2.3). Гетеротрофная ассимиляция (4,0; 1.2.3) остальных организмов — сравнительно более простой процесс превращения одних органических веществ в другие (4.4.5).

4.4.1. ФОТОСИНТЕЗ (ОБЩИЙ ОБЗОР)

Фотосинтез — это преобразование энергии света в химическую энергию. Такое преобразование происходит в тилакоидах (3.7.2.1.2). Химическая энергия накапливается прежде всего в форме АТР и [Н2] (водород, связанный с коферментом).

Для облигатных автотрофов (зеленые бактерии, пурпурные серобактерии, многие синезеленые водоросли) фотосинтез — единственный источник энергии: у них нет процессов диссимиляции, поставляющих АТР. В зеленых клетках высших растений тоже переходят в цитоплазму большие количества АТР и [Н2]. Значительная часть последнего (в форме NAD.H+H+) попадает в митохондрии н там окисляется в цепи дыхания для дополнительного синтеза АТР.

У высших растений большая часть АТР и [Н2] используется для синтеза углево