Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 2 - Д. Мецлер 1980
О том, как электроны встречаются с кислородом, как при этом образуется ATR и о некоторых родственных явлениях
Цепь переноса электронов и окислительное фосфорилирование
Архитектура митохондрии
Один из центральных вопросов современной биохимии заключается в том, каким образом поток электронов по цепи переносчиков природу к образованию АТР. Вопрос этот очень важен, так как большая часть АТР, образующегося в аэробных и некоторых анаэробных организмах, генерируется именно в процессе окислительного фосфорилирования. Более того, энергия, улавливаемая в процессе фотосинтеза, идет на образование АТР с помощью очень сходного процесса. Механизм генерирования АТР может быть тесно связан с функционированием мембран при транспорте ионов. Вполне возможно, что механизм окислительного фосфорилирования в известном смысле является обратным механизму использования энергии АТР для мышечного сокращения.
На протяжении 40-х годов, когда стало ясно, что образование АТР из ADP и неорганического фосфата сопряжено с переносом электронов в митохондриях, биохимики стали предпринимать первые попытки «разобрать» систему на части, чтобы разобраться в молекулярных механизмах. Однако природа иногда яростно сопротивляется попыткам выведать ее тайны, и сегодняшнее положение вещей удачно подытожил Эфраим Рэкер: «Всякий, кто не запутался в проблеме окислительного фосфорилирования, просто не понял ситуации [58]». Эта путаница вовсе не связана с недостаточной затратой сил или с недостатком воображения. Относительно механизма окислительного фосфорилирования было опубликовано множество различных соображений, но полного убедительного объяснения никто дать не смог. Более того, неудачи с попытками объяснить окислительное фосфорилирование, оперируя обычными химическими понятиями, привели к выдвижению не вполне четких гипотез, получивших причудливые наименования. В противовес тому, что окрестили «химической гипотезой», были выдвинуты «химио-осмотическая гипотеза» и «гипотеза механохимического сопряжения». Под «химической гипотезой» здесь подразумевается образование дискретных, но не идентифицированных пока промежуточных «высокоэнергетических» химических соединений.
У бактерий перенос электронов и окислительное фосфорилирование локализованы, вероятно, в цитоплазматических мембранах. У эукариотических клеток эти процессы идут главным образом в митохондриях. Поэтому мы начнем с более внимательного рассмотрения митохондрий— «энергетических станций клетки».
Типичная митохондрия имеет почти такие же размеры, как клетка Е. coli, но вообще форма и размеры этих органелл могут быть весьма различны. Во всех случаях митохондрия образована двумя замкнутыми мембранами (наружной и внутренней) каждая толщиной ~ 5—7 нм (рис. 10-9). В печени внутренняя мембрана развита слабо и основная часть пространства заполнена матриксом, а в митохондриях сердечной мышцы внутренняя мембрана имеет значительно больше складок и скорость окислительного фосфорилирования там выше. Ферменты, катализирующие реакции цикла трикарбоновых кислот, тоже более активны в митохондриях сердечной мышцы. Более того, ввиду высокой метаболической активности сердечной мышцы почти треть ее общей массы приходится на долю митохондрий. Типичная митохондрия сердечной мышцы имеет объем 0,55 мк3; на каждый кубический микрон объема митохондрии приходится 89 мк2 поверхности внутренних митохондриальных мембран [62].
Митохондрии могут разбухать и сжиматься, и, помимо ортодоксальной формы, обычно наблюдаемой на электронных микрофотографиях препаратов, фиксированных осмием, были описаны и другие формы. В конденсированных формах митохондрия имеет разбухшие кристы объем матрикса сильно уменьшен, а площадь внутренней мембраны увеличена. Быстро дышащие митохондрии, фиксированные для электронно-микроскопических препаратов, находятся в форме, которая была названа «энергизованной» или «энергизованно скрученной» [63].
Наружные мембраны митохондрий могут быть разорваны путем осмотического шока и отделены от внутренних Мембран [64]. Анализ фракции наружных и внутренних мембран показывает, что наружные мембраны имеют меньшую плотность (∼1,1 г/см3), чем внутренние. Они легко проницаемы для большинства веществ с мол. весом 10 000 и ниже. Отношение фосфолипид/белок весьма высокое (∼0,82; по весу), экстракция фосфолипидов ацетоном разрушает мембрану. Для этих фосфолипидов характерно низкое содержание кардиолипина и высокое содержание фосфоинозита и холестерина. Убихинона в этих мембранах нет. Внутренняя мембрана (плотность — 1,2 г/см3) для многих соединений непроницаема. Фактически, за исключением нейтральных молекул с мол. весом <150, проницаемость для всех других соединений жестко контролируется. Отношение фосфолипид/белок во внутренней мембране имеет низкое значение (∼0,27); кардиолипин составляет ~20% общего содержания фосфолипидов. Во внутренней мембране присутствуют убихинон и другие компоненты дыхательной цепи.
Другая особенность внутренней митохондриальной мембраны — это наличие при определенных условиях выростов на ее внутренней поверхности (обращенной в сторону митохондриального матрикса). Фернаидес-Мораи, открывший эти частицы в 1962 г., предположил, что в них могут содержаться ферменты системы переноса электронов. Однако последующие Исследования показали, что это не так. Как оказалось, а этих сферических частицах с мол. весом; ∼ 85 000, прикрепленных к мембране с помощью «ножки», имеется «АТРазная» активность. Видимо, эта активность и есть тот ключ, который может использоваться при синтезе АТР в ходе окислительного фосфорилирования. Присутствующий в этих частицах белок теперь известен как фактор сопряжения (F1или АТР-синтетаза). Поскольку такие «шишковидные выступы» на внутренней стороне мембраны видны только на препаратах, негативно окрашенных фосфовольфраматом, имеются сомнения относительно их. присутствия в интактных митохондриях. Они могут возникать в процессе окрашивания, являясь новообразованными агрегатами ферментов, ранее находившихся во внутренней мембране.
Помимо рибосом (миторибосом), сходных по виду с бактериальными рибосомами, и небольших кольцевых молекул ДНК, митохондрии содержат различное число плотных гранул фосфата кальция [65], либо Са3(РО4)2, либо гидроксилапатита (дополнение 5-Д).