ердца голубя в состоянии 4 (см. табл. 12.5) при дыхании на ?-окси-бутирате и низкой [ADP]; показаны также перепады потенциала АЕ между компонентами данной системы в указанных условиях. [Wilson D. /·'., Ditton P. L., Erecinska ?., Lindsay I. C, in: G. F. Azzone, L. Ernster, S. Papa, E. Quaaliariello, N. Siliorandi, eds., Mechanisms in Bioenergetics, p. 530. Academic Press., New York, 1973; Wilson D. F., Ereccinska M., Owen L. S., Mela L., in: L. Ernster, R. W. Estab-rook, E. C. Slater, eds., Dunamics of Energy-transducing Membranes, p. 225, Elsevier Scientific Company, Amsterdam, 1974; дополнительные данные любезно предоставлены проф. Байнертом.]

лы (FeS)-центров в каждом комплексе создают внутри его падение потенциалов от 250 до 300 мВ, но вместе с тем разность потенциалов между самым высокопотенциальным компонентом одного комплекса и самым низкопотенциальным компонентом соседнего комплекса сравнительно невелика. На рисунке не указано, что значения кажущейся Ет для нескольких компонентов существенно

28—1148.

434

III. МЕТАБОЛИЗМ

Рис. 12.15. Схема организации основных компонентов электронпереносящей цепи NADH—*-02. Только цитохром с легко удаляется водными растворителями. Все другие белки являются интегральной частью мембраны. Значительная часть цитохрома с находится на наружной поверхности мембраны, а NADH-дегидрогеназа и цитохром о3 — на внутренней поверхности, где они реагируют соответственно с NADH и 02. Указаны только относительные положения без соблюдения масштаба; кроме того, не показаны липидные молекулы.

сдвигаются при воздействии АТР в близких к анаэробным условиям: ? т. для цитохрома аз уменьшается на 225 мВ, для формы bt цитохрома b увеличивается на 275 мВ, для цитохрома с уменьшается на 50 мВ и для цитохрома а увеличивается на 50 мВ. Этот рисунок также показывает, что в митохондриях сердца голубя, окисляющих ?-оксибутират при низкой [ADP], разность ?? между основными компонентами каждого из трех комплексов составляет 310—315 мВ. Высокое значение Ет для цптохрома ая отражает тот факт, что не более 0,1% цитохрома а3 в этих условиях находится в восстановленном состоянии, в результате чего ? для цито-хромоксидазы приближается к +625 мВ, т. е. по крайней мере на 250 мВ превышает ??.

Как следует из уравнения AG = nFAE, при А?=312 мВ AG для каждого из главных перепадов потенциала должна составлять —14 000 кал/моль. Это значение можно сравнить с AG для синтеза АТР при тех же концентрациях [АТР], [ADP] и [Рг]. Если намеренно поддерживать низкую концентрацию [ADP], так чтобы отношение [ATP]/[ADP] было очень высоким, тогда AG для синтеза АТР должна составлять +14 600 кал/моль, как это можно рассчитать, принимая для реакции ATP^±ADP + P,- AG°=+8400 кал/моль-Примечательно, что свободная энергия, которая становится доступной в результате процесса переноса электронов через каждый комплекс, приблизительно равна энергии, требующейся для синтеза АТР в этих условиях, т. е. такое преобразование энергии при наличии необходимых средств может стать легко обратимым.

Таким образом, возникает картина высокоупорядоченной физической организации, при которой во внутренней мембране каждый компонент физически встроен между своим восстановителем и окислителем, в результате чего создаются условия для потока электронов от субстрата через последовательно расположенные переносчики электронов к 02. Активный центр NADH-дегидроге-назы находится на мембране со стороны матрикса, как и центр для

12. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. I

435

кислорода на цитохроме аз- Цитохром с прикреплен на наружной стороне мембраны, в то время как убихинон (кофермент Q), вероятно, растворен в липидной фазе мембраны, как показано на рис. 12.15.

32.4.4.1. Окисление виемитохоидриального NADH

Митохондриальный NAD в основном сосредоточен в жидкости матрикса, где он служит связующим звеном между окисляемыми субстратами и электронпереносящей цепью. Суммарное количество митохондриального NAD в 40 раз превышает количество ци-тохрома с. Прохождение образующегося в цитоплазме NADH через внутреннюю мембрану митохондрий печени фактически невозможно. Это ставит вопрос о механизме, посредством которого восстановленный в цитоплазме NAD может быть использован путем повторного окисления в митохондриях. Такой вопрос не возникает в случае дрожжей, митохондрии которых легко пропускают NADH, и, возможно, не очень важен для митохондрий мозга или сердца. Митохондрии мозга могут осуществлять гликолиз, а митохондрии сердца получают большую часть энергии путем окисления жирных кислот и ацетоацетата. Однако NADH образуется в печени и цитоплазме скелетной мышцы в количествах, которые.превышают возможности любого известного способа использования, кроме повторного окисления. Эта проблема особенно очевидна в метаболизме глюкозы; четыре из шести дегидрогеназных реакций в окислении глюкозы относятся к циклу лимонной кислоты, пятая — дегидрирование пировиноградной кислоты, которое также происходит в митохондриальной матриксе. Однако шестая реакция, которая фактически предшествует всем остальным, представляет собой окисление глицеральдегид-3-фосфата с участием NAD+ (разд. 14.4.2) и осуществляется в цитоплазме. Полагают, что повторное окисление образованного в этой реакции NADH совершается по челночному механизму: какое-то вещество может восстанавливаться цитоплазматическим NADH и образовавшаяся восстановленная форма этого вещества может пересекать митохондрн-альные мембраны, окисляться там ферментом, связанным с электронпереносящей цепью, и затем возвращаться в цитоплазму для повторения всего процесса. В летательной мышце мясных мух эту роль выполняет ?-глицерол-З-фосфат. Диоксиацетонфосфат восстанавливается в цитоплазме глицерол-3-фосфат-дегидрогеназой и NADH. Полученный в результате ?-глицерофосфат окисляется в митохондриях посредством совсем другой а-глицерофосфатдегидро-геназы, которая представляет собой флавопротеид. Так как диоксиацетонфосфат может возвращаться в цитоплазму, то сопряженное действие указанных ферментов завершает митохондриальное окисление цитоплазматического NADH, как показано на рис. 12.16.

28*

436

III. МЕТАБОЛИЗМ

глюкоза

глицеролфосфат

Эиоксиацетонфосфат + NADH

Виоксиацетонфосфат + FADH2

FAD + глкцеролфосфат

2(Pi + ADP)

2ATP

Рис. 12.16. Схематическое изображение действия глицеролфосфатного челнока, переносящего восстановительные эквиваленты от NADH цитозоля к митохондриальной электронпереносящей цепи.

Точно неизвестно, функционирует ли этот «челнок» в мышце млекопитающих, но составляющие его ферменты присутствуют там в количествах, которые согласуются с этим предположением. Ввиду того что возможность функционирования этого челнока в клетках печени казалась маловероятной, обратились к поискам других челночных устройств. Заманчивым в этом смысле казался челнок, который бы включал ?-оксибутират — ацетоацетат, но его действие не было доказано. Несомненно, что этот механизм не мог бы действовать у жвачных животных, в печеночных митохондриях которых нет ?-оксибутиратдегидрогеназы. С другой стороны, можно допустить действие такого механизма в красной мышце большинства позвоночных, так как содержание ?-оксибутиратдегидрогеназы в митохондриях этой ткани в 10 раз выше, чем в тканях белой мышцы.

Многочисленные данные указывают на то, что в клетках печени и сердца действует более сложный малат-аспартатный челночный механизм, совершающий в конечном итоге перенос восстановительных эквивалентов от NADH цитоплазмы к NAD+ в митохондрии. Как показано на рис. 12.17, действие такого челнока становится возможным благодаря присутствию малатдегидроге-назы и глутамат-аспартатаминотрансферазы (гл. 21) как в цито-золе, так и в митохондриях, а также двух антппереносчиков — одного для глутамата и аспартата и одного для малата и а-кетоглу-

12. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. I

437

тарата. Установлено, что цитоплазматический NADH (считается, что он образуется, как показано на рис. 12.16) используется для восстановления оксалоацетата до малата; последний обменивается через мембрану на ?-кетоглутарат и затем окисляется в митохондриальной матриксе обычным ферментом цикла лимонной кислоты. Однако образовавшийся таким образом оксалоацетат самостоятельно не может возвратиться обратно через мембрану. Это возвращение может быть тем не менее достигнуто посредством переаминирования при участии глутамата, которое приводит к образованию аспартата; последний обменивается на глутамат через мембрану. Переамииирование в цитозоле регенерирует оксалоацетат, что вызывает к действию следующий цикл. Поскольку процесс включает легко обратимые реакции, он происходит без расхода или потребления энергии; движущей силой является постоянное восстановление NAD+ в цитозоле глицеральдегид-3-фосфатом, получающимся из глюкозы (гл. 14).

12.5. Окислительное фосфорилирование

Важнейшее значение процессов окисления углеводов и жирных кислот состоит в том, чтобы сделать доступной для клеток выделяющуюся свободную энергию окисления путем ее преобразования в форму, физиологически пригодную для использования в клеточных эндергонических процессах, а именно в форму АТР. Окисление молекулы NADH одним атомом кислорода в митохондриях сопряжено с чистым выходом трех молекул АТР, т. е. отношение Р/О или Р/2е равно трем. Поскольку окисление субстратов, отда-

NADH

NAD +

цитозол

мембрана

оксалоаце —~ -«-глутамат-тат

а-кетоглута- У ^ аслара-Р?т тат

?

А

-глутамат

матрикс

? ^-оксалоаце- -т-.

-аспара- ^-»-а-кетс-глупта main ратл t q

NADH

NAD1-

Рис. 12.17. Малат-аспартатный челнок, за счет которого восстановительные эквиваленты NADH цитозоля переносятся к NAD+ митохондриального матрикса. А и В — антипортеры, С — малатдегндрогеназа, D — глутамат-аспартатаминотраис-

фераза.

438

III. МЕТАБОЛИЗМ

ющих свои электроны NAD+, например ,?-оксибутнрата или малата, также протекает с Р/0 = 3, очевидно, что все генерируемое в ходе подобных реакций количество АТР есть результат последующего повторного окисления NADH в организованной электронперенося-щей системе м