Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985
Биоэнергетика и метаболизм
Перенос электронов, окислительное фосфорилирование и регуляция синтеза АТР
Цитохромы - это гемопротеины, осуществляющие перенос электронов
Цитохромами называются железосодержащие белки, окрашенные в красный или коричневый цвет. Действуя в определенной последовательности, они переносят электроны от убихинона на молекулярный кислород. Цитохромы принадлежат к классу гемопротеинов, молекулы которых содержат железо, входящее в состав железопорфириновой группы, или гема, напоминающего по своему строению простетическую группу гемоглобина (рис. 10-26). Цитохромы были открыты давно (сначала их назвали гистогематинами), но только в 1925 г. Дэвид Кейлин установил, что функция этих соединений связана с биологическим окислением. В летательных мышцах живых насекомых он обнаружил при помощи спектроскопа красно-коричневые пигменты. Оказалось, что спектр этих пигментов заметно менялся, когда насекомое, прикрепленное к предметному стеклу, делало резкие движения, пытаясь вырваться на свободу. Кейлин назвал эти пигменты цитохромами и высказал предположение, что они переносят электроны от пищевых веществ на кислород, претерпевая при этом окисление-восстановление. Существует три класса цитохромов: а, b и с, различающихся по спектрам поглощения. У каждого цитохрома в восстановленной (закисной) форме обнаруживаются три четкие полосы поглощения в видимой части спектра (рис. 17-11). Кейлин показал, что цитохромы действуют в определенной последовательности и что цитохром, стоящий последним в этом ряду, передает электроны на кислород.
Рис. 17-11. Спектры поглощения цитохрома с в окисленной (красная линия) и восстановленной (черная линия) форме. Указаны характерные полосы поглощения восстановленной формы - а, ß и у.
Теперь мы знаем, что цитохромы в дыхательной цепи расположены в последовательности b→с1→с→аа3 (рис. 17-1 и 17-7). Цитохром b, присутствующий в двух формах, принимает электроны от убихинона и передает их цитохрому с1, который в свою очередь передает их цитохрому с. Каждый из этих цитохромов, находясь в окисной [Fe(III)] форме, присоединяет один электрон и переходит в закисную [Fe(II)] форму. В переносе электронов от убихинона на цитохром с принимает участие также белок, содержащий железо и серу (рис. 17-5). Последним в ряду переносчиков электронов стоит цитохром аа3, называемый также цитохромоксидазой, поскольку он переносит электроны прямо на кислород и тем самым завершает процесс переноса.
Лучше всего изучен среди цитохромов цитохром с. Это небольшой белок (мол. масса 12 500) с железопорфириновой группой, ковалентно присоединенной к единственной полипептидной цепи (разд. 8.4). Установлена аминокислотная последовательность белка (рис. 6-14) и выяснены все детали трехмерной структуры его молекул (рис. 8-5). Цитохром с, легко экстрагируемый из митохондрий, был получен в кристаллической форме из многих источников. Ранее мы уже упоминали (рис. 6-14), что цитохром с - один из белков, возникших на заре эволюции. На это указывает сходство многих участков его аминокислотной последовательности у всех эукариот: микроорганизмов, растений и животных.
Цитохром аа3 отличается от других цитохромов. В его состав входят две молекулы прочно связанного гема А, отличающегося от протогема гемоглобина наличием у его порфиринового кольца длинной углеводородной боковой цепи. Кроме того, в нем имеются также два атома меди, играющие важную роль. Присоединив электроны, поступившие от цитохрома с, и перейдя таким образом в Fe(II)-фoрмy, компонент а цитохрома передает затем эти электроны цитохрому а3. Восстановленный цитохром а3 в свою очередь передает электроны на молекулярный кислород (О2). В этом процессе вместе с двумя железопорфириновыми группами участвуют два связанных атома меди, что сопровождается обратимым изменением их валентности [Cu(I)-Cu(II)]. Этот сложный процесс является важным этапом переноса электронов, поскольку на этом этапе четыре электрона должны быть переданы почти одновременно на О2 для того, чтобы образовались две молекулы Н2О (четыре Н+ -иона, которые тоже для этого необходимы, поступают из водной среды). Из всех переносчиков цепи переноса электронов только цитохром аа3 способен вступать непосредственно в реакцию с кислородом.