Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
Одна из возможностей состоит в том, что в NADH—CoQ-pe-дуктазе чередуются переносчики атомов водорода и переносчики электронов (Н/е--антипорт, или механизм редокс-петли). В таком случае FMN мог бы служить переносчиком атомов Н, поскольку его восстановление до FMNH2 состоит в присоединении двух электронов и двух протонов к изоаллоксазиновому ядру. FeS-протеиды обычно рассматривают как переносчики электронов. Однако некоторые из них располагают протон-акцепторнымн группировками, которые повышают свое сродство к ионам Н+ при восстановлении FeS-кластера. Именно такие свойства присущи FeSjla и FeSi2. Показано, что редокс-потенциал этих компонентов зависит от pH, сдвигаясь в положительную сторону на 60 мВ при закислении среды на единицу pH. Этот факт указывает, что названные переносчики, приняв один электрон, присоединяют один протон. В то же время прочие FeS-белки NADH—CoQ-pe-дуктазы таким свойством не обладают [1597]. Поэтому все они должны рассматриваться как переносчики электронов, а не атомов водорода.
Приняв во внимание эти обстоятельства, можно представить себе образующую АрН редокс-петлю, показанную на рис. 42, а.
Согласно схеме, FMNH2 и FeS^a катализируют трансмембранный перенос атомов водорода, направленный из матрикса (на рис. 42 сверху) к внешней (нижней) поверхности внутренней митохондриальной мембраны. Вблизи внешней поверхности FeSjla-Н окисляется каким-либо из FeS-протеидов — переносчиков электронов, например FeSjlb. В результате образуется протонированная форма окисленного FeSjla, которая освобождает Н+, так как сродство зтого FeS-белка к протону при окислении уменьшается.
Выделившийся протон оказывается в ближайшей водной фазе, т. е. снаружи внутренней мембраны (в межмембранном пространстве митохондрии). FeSjlb переносит электроны к внутренней поверхности мембраны. В этом процессе могли бы участвовать также FeSi3 и FeSi4. Предполагается далее, что переносчик атомов водорода FeS]2 принимает электрон, скажем, от FeSj4 и Н+ из матрикса, превращаясь в FeSj2-H. Последний восстанавливает CoQ.
Существенным результатом всех этих процессов оказывается перенос двух протонов из матрикса в межмембранное пространство.
106
3. Первичные АцН-генераторы
АН,
КГ
2РГ
АН2
"К."-
2Н
а — одиночная редокс-петля; бив — Н+; г —флавиновый цикл; д — две последовательные редокс-петли (объяснения в тексте)
Тот же самый результат может быть достигнут и без трансмембранного переноса электронов, если в мембране имеются входные и выходные Н+-проводящие пути, связывающие FeS^a (FeSi2) соответственно с межмембранным пространством и матриксом. Такой вариант NADH—CoQ-редуктазы показан на рис. 42, б. Этот гипотетический механизм основан на тех же двух
3.4. Дыхательная цепь
107
ан2
"к
NADH+H* 2Н* 2Н+
принципах, что и схема я, а именно: 1) связывание и освобождение протона при восстановлении и окислении переносчика водорода и 2) чередование переносчиков водорода и электронов в редокс-цепи.
Оба эти принципа оказываются ненужными в рамках схемы, изображенной на рис. 42, в. Здесь предполагается, что перенос ионов Н+ сопряжен с одной из экзэргонических реакций, катализируемых комплексом I, например, с окислением FeSj4 по-
108
3. Первичные ДцН-генераторы
средством FeSj2. Такой Н+-насос мог бы быть организован наподобие бактериородопсина, где выделяющаяся энергия используется для изменения положения и рК какой-то протолитической группы (см. ниже раздел 3.5.6). Например, окисление FeSj4 посредством FeSi2 могло бы вызывать конформационное изменение в белковой части одного из этих переносчиков, сопровождающееся движением протолитической группы от входного протонпроводящего к выходному пути и снижением сродства данной группы к протону.
Недостатком всех этих схем является то обстоятельство, что они не объясняют, почему NADH—CoQ-редуктаза содержит так много редокс-центров. Например, на рис. 42, а и б выглядят лишними компоненты FeSj3 и FeSi4, а схема на рис. в вообще могла бы обслуживаться всего какими-либо двумя редокс-центрами.
Схема на рис. 42, г свободна от этого недостатка. В ней пред-прлагается, что NADH—CoQ-редуктазный AjIH-генератор устроен по принципу Q-цикла с тем основным отличием, что роль убихи-нона играет FMN. Эта идея в общей форме была высказана Хин-клем [727]. Недавно в нашей группе [133] и независимо Рэйганом [1233] были рассмотрены ее конкретные варианты. Согласно нашей гипотезе флавинового (или F) цикла, восстановление FMN, подобно восстановлению CoQ в Q-цикле, может обеспечиваться двумя различными донорами восстановительных эквивалентов: NADH и FeSjlb. Процесс сопровождается присоединением ионов Н+ так, чтобы в результате образовался FMNH2. Эти ионы Н+ черпаются из матрикса. Далее, согласно схеме, FMNH2 транслоци-руется в направлении внешней стороны мембраны, а именно в ту ее область, где локализованы центры FeSjla и FeSi3. Здесь происходит восстановление обоих центров и окисление FMNH2. Электроны с FeSjla-Н переносятся на FeSjlb, а протоны освобождаются в воду на внешней стороне мембраны. Восстановленный FeS^ окисляется посредством FeSj4 и затем FeSi2, локализованным по другую сторону гидрофобного барьера. Надо подчеркнуть, что эффективность описанного выше флавинового цикла оказывается вдвое большей, чем линейных схем, показанных на рис. 42, а—в (на каждую молекулу утилизированного субстрата через мембрану переносится 4 Н+).
