Биологический каталог




Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию

Автор Д.Д.Николс

5.10. ТРАНСГИДРОГЕНАЗА НИКОТИНАМИДНУКЛЕОТИДОВ

(Обзор: Rydstrom, 1977)

Несмотря на то что потенциалы полувосстановления пар NAD+/NADH и NADP+/NADPH совпадают, вторая из них всегда восстановлена значительно сильнее в митохондриальном матриксе. Неравновесное состояние поддерживается энергозависимой трансгидрогеназой, которая катализирует следующую реакцию:

NADH + NADP+ NADPH + NAD+.

Соотношение действующих масс в реакции может превышать 500 как за счет работы дыхательной цепи (в этом случае олиго-мицин не действует), так и за счет гидролиза АТР (в этом случае олигомицин ингибирует процесс). Это указывает на то, что

трансгидрогеназа зависит от А(хн+, а не от АТР.

Трансгидрогеназа состоит из одного большого полипептида с мол. массой 97 000 (Hojeberg, Rydstrom, 1979). Это мембранный фермент, который взаимодействует лишь с нуклеотидами матрикса. Опыты с трансгидрогеназой можно проводить только на вывернутых субмитохондриальных частицах.

Доказательства участия трансгидрогеназы в трансмембранном переносе зарядов были получены в опытах, где следили за перераспределением липофильных анионов (разд. 2.5) через мембрану субмитохондриальных частиц (рис. 5.17). Трансгидрогеназа представляет интересное исключение из правила, согласно которому на участке превращения энергии должна существовать разность потенциалов полувосстановления (рис. 5.11).

Дыхательные цепи

125

ЫДВР NADH

NADPH NAD+

NADP+NADH ==ь NADPH + NAD+ A

В

NADPH + NAD+ NADP++ NADH

--PCB

NADPH + NAD* H+

NADP++NADH PC В

Рис. 5.17. Трансгидрогеназа никотинамидных нуклеотидов переносит заряды через мембрану (Skulachev, 1970). Субмитохондриальные частицы инкубировали в среде, содержащей буфер, сахарозу и ингибиторы дыхательной цепи— ротенон и CN-. В среду был добавлен липофильный анион фенилдикар-баундекаборан (РСВ~) в концентрации Ю"8 М. За изменениями его концентрации следили с помощью бислойной липидной мембраны. В опыте (Л) трансгидрогеназа работает в обратном направлении и переносит протоны из внешней среды внутрь частиц (из М-фазы в Ц-фазу). В опыте (Б) трансгидрогеназа восстанавливает NADP+ до NADPH и переносит протоны наружу (в М-фазу для СМЧ). На схемах (В) и (Г) показаны ионные потоки соответствующие опытам (Л) и (Б).

5.11. ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ В МИТОХОНДРИЯХ РАСТЕНИИ

(Обзоры: Palmer, 1979; Moore, Rich, 1980)

Дыхание растительных митохондрий подавляется ионами CN лишь частично, что указывает на существование дополнительных терминальных оксидаз. Например, в митохондриях, выделенных из зрелых початков аронника Arum maculatum, уётой-

CN"

NADHe?-»-Fp -«-Fe/S J^um- Ь-*~Цит.сх-*-1]ит.аа^Ог

NABHCH-»-Fp- — Другая оксидаза-»-Ог

Рис. 5.18. Пути переноса электронов в растительных митохондриях.

126 Глава 5

чивый к ионам CN- путь переноса электронов примерно в 10 раз более активен, чем путь через обычную цитохром с-оксидазу (рис. 5.18). В различное время высказывались предположения о том, что цианид-резистентная оксидаза является флавопротеи-ном, содержит аутооксидабельные цитохромы типа Ь или Fe/S-белки, однако ее истинная природа неясна до сих пор. В случае митохондрий аронника путь электронов к дополнительной ок-сидазе ответвляется на уровне UQ, причем для него характерно отсутствие чувствительности к антимицину А. Этот альтернативный путь не связан с переносом протонов, так что эффективность сопряжения оказывается очень низкой. В результате такого дыхания выделяется тепло, что важно физиологически, так как при этом усиливается испарение аттрактантов для насекомых и повышается вероятность опыления. Этот механизм термогенеза интересно сравнить с механизмом, существующим в митохондриях бурого жира животных (разд. 4.5), где наряду с нормальным транспортом протонов существует высокая протонная утечка.

Растительные митохондрии отличаются также тем, что способны окислять экзогенный NADH, а окисление эндогенного NADH в них лишь частично блокируется ротеноном. Окисление двух пулов NADH катализируется различными ферментами; окисление экзогенного NADH активируется ионами Са2+ и ингибируется внешним AMP или при окислении сукцината. Этот путь окисления не связан с переносом протонов.

Существование двух путей переноса электронов до UQ и двух путей от UQ до Ог означает, что транспорт электронов может происходить по двум независимым цепям, которые соединяются только на уровне пула хинонов (рис. 5.18).

5.12. ДЫХАТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ БАКТЕРИЙ

(Обзоры; Jones С. W., 1977; Haddock, Jones, 1977; Kroger, 1978; Haddock, 1980)

Дыхательные цепи бактерий имеют более сложную организацию, чем цепь митохондрий. Во-первых, в бактериях встречаются электронтранспортные цепи различных типов. Во-вторых, в некоторых бактериях свойства дыхательной цепи могут изменяться в ответ на изменение условий роста. В-третьих, многие бактериальные цепи ветвятся и оканчиваются различными акцепторами электронов. Эти сложности отражают большую изменчивость бактерий. Так, например, Е. coli, выросшие в аэробных условиях, имеют линейную дыхательную цепь с цитохромом о в качестве терминальной оксидазы. Если количество кислорода в среде ограниченно, то синтезируется вторая оксидаза— цитохром d — и поток электронов разветвляется. В условиях

Дыхательные цепи

127

строгого анаэробиоза электроны могут переноситься на нитрат или фумарат. Еще большую изменчивость проявляют несерные пурпурные бактерии. Они имеют циклическую фотосинтетическую цепь переноса электронов при росте на свету и дыхательную цепь, оканчивающуюся Ог, при росте в темноте. Эти две системы имеют ряд общих компонентов (разд. 6.3).

Дыхательные цепи бактерий, выросших в аэробных условиях, содержат редокс-переносчики, сходные, но не идентичные с переносчиками в митохондриях. Это Fe/S-белки, флавопротеи-ны, хиноны и цитохромы. Лишь в немногих случаях, например у Paracoccus denitrificans (John, Whatley, 1977), сохраняется полная последовательность переносчиков, очень сходная с мито-хондриальной. Близкая гомология цепей позволяет предполагать, что митохондрии возникли в результате эндосимбиоза, а их бактериальные предки были сходны с Paracoccus.

У грамположительных бактерий функции убихинона выполняет менахинон (рис. 5.8), а во многих аэробных дыхательных цепях роль терминальной оксидазы вместо цитохромов а и аз играют цитохром о или более цианидрезистентный цитохром d. Другим обычным отличием бактериальной дыхательной цепи от митохондриальной является отсутствие высокопотенциального

I-L.NADH I—1,нг I-L-HC00"

^-^Сукцинат Г-^ёукцинат I Ь^Сук

-Фумарат щинат

ио8 Ш

Б

ТУ Y Ж

Рис. 5.19. Протоипереносящие участки в дыхательной цепи Е. coli (Haddock, 1980). А. Низкопотенцалыше. /—NADH-дегидрогеназа; II— гидрогеназа; /// — формиатдегидрогеназа. Б. Высокопотенциальные. IV — цитохром о; V — цитохром d; VI — нитратредуктаза. ФР — фумаратредуктаза. Стехиометрия переноса протонов не определена.

128 Глава 5

цитохрома типа с. Те бактерии, которые, как Е. coli, не способны синтезировать цитохром с, переносят меньшее число протонов на участке цепи от хинонов до 02 (рис. 5.19).

Протонпереносящие участки дыхательной цепи Е. coli можно разделить на низко- и высокопотенциальные. В низкопотенциальных участках (рис. 5.19) происходит перенос электронов от таких пар, как NAD+/NADH, 2Н+/Н2 или НС(Х)-/С02, на менахинон (Е^ = —74 мВ) в анаэробных условиях или на убихинон (UQ8 в отличие от митохондриального UQio) как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Бактериальная NADH-дегидрогеназа содержит FMN и Fe/S-центры, так же как и соответствующий митохондриальный фермент. Гидрогеназа тоже является Fe/S-белком. Расположение ее активного центра неизвестно, однако если он лежит вблизи от наружной поверхности мембраны, то, возможно, фермент работает по механизму Лундегардта (рис. 1.14). Формиатдегидроге-наза содержит молибден, Fe/S-центры и гем. Все перечисленные дегидрогеназы транспортируют протоны.

Менахинон, восстановленный в анаэробных условиях, можно вновь окислить с помощью фумарата. Эта реакция, катализируемая фумаратредуктазой, является в сущности сукцинатде-гидрогеназной реакцией, протекающей в противоположном направлении, причем у Е. coli прямую и обратную реакции катализируют различные ферменты. Оба фермента в качестве простетйческой группы содержат FAD.

Донором электронов для высокопотенциальных участков дыхательной цепи Е. coli служит UQH2, который в свою очередь восстанавливается низкопотенциальными комплексами или такими донорами электронов, как D-лактат или сукцинат. В условиях высокого давления кислорода электроны переносятся через цитохром Ььье к цитохрому о, который является аутооксида-бельным цитохромом типа Ь. Когда концентрация 02 ограниченна, включается перенос электронов через цитохром bssS на цитохром d (содержащий частично насыщенное хлориновое кольцо вместо порфиринового). В условиях строгого анаэробиоза и в присутствии NOg синтезируется нитратредуктаза, которая является молибденсодержашим Fe/S-белком, ассоциированным со специфическим цитохромом 6556 (рис. 5.19). На всех этих участках цепи также транспортируются протоны.

Хемолитотрофные бактерии используют неорганические доноры электронов и способны расти на средах, содержащих лишь минеральные соли, С02 и источник азота. Конечным акцептором электронов обычно служит 02 и в некоторых случаях NO3. Потенциалы полувосстановления электрондонорных пар субстратов этих бактерий очень высоки, и восстановление NAD+ в них происходит за счет обратного переноса электронов (разд. 4.7). Осо-

Дыхательные цепи

129

Среда

2Fe

2Fe

* Лериплазматическое х пространство рН2

Мембра

Матрикс рН6.

Рис. 5.20. Окислительное фосфорилирование у хемолитотрофной бактерии Ihiobacillus ferrooxidans, которая растет при рН 2, используя окисление Fe2+ с помощью Н20 как единственный источник энергии для роста и фиксации С02 (Ingledew et al., 1977). Пара Fe2+/Fe3+ имеет ?т=+780 мВ.

бый случай —это бактерии Thiobacillus ferrooxidans, которые используют в качестве донора электронов пару Fe3+/Fe2+ при рН 2 (?т=+780 мВ). Перенос электронов на 0

страница 23
< 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

Скачать книгу "Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию" (1.67Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(25.04.2017)