Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
 Скачать 25.6 Mb.
|
|
Рис. 7-9 . А. Электронная микрофотография жировой капельки, содержащей триацилглицеролы основную форму резервных жиров в цитоплазме. Б. Строение триацилглицерола; цветом выделен остаток глицерола. (Фото А любезно предоставлено Daniel S. Friend.) Рис. 7-10 . В клетках сердечной мышцы жировые капельки окружены митохондриями, в которых происходит окисление жирных кислот, извлекаемых из триацилглицеролов. 436 Рис. 7-11. Цикл окисления жирных кислот, этапы которого последовательно катализируются в митохондриальном матриксе четырьмя ферментами. За каждый оборот цикла молекула жирной кислоты укорачивается на два углеродных атома (выделены цветом) и образуется одна молекула ацетил- СоА и по одной молекуле NADH и FADH 2 . NADH свободно растворяется в матриксе, в то время как FADH 2 остается тесно связанным с ферментом ацил-СоА-дегидрогеназой; два электрона FADH 2 быстро переносятся на убихинон, находящийся во внутренней мембране митохондрии (разд. 7.2.5), и при этом регенерируется NAD. Представленный здесь четырехступенчатый путь окисления жирных кислот идентичен по своей химической сущности расщеплению многих других углерод-углеродных связей (см., например, рис. 7-14). Рис. 7-12. Электронная микрофотография и схематическое изображение гранул гликогена - главной резервной формы углеводов в клетках позвоночных. Гликоген - это полимер глюкозы, и каждая гранула представляет собой единственную сильно разветвленную молекулу. Синтез и расщепление гликогена катализируют ферменты, связанные с поверхностью гранул, в том числе гликогенсинтаза и расщепляющий фермент гликогенфосфорилаза. (С любезного разрешения Robert Fletterick и Daniel S. Friend.) 437 Рис. 7-13 . Реакции, осуществляемые пируватдегидрогеназным комплексом, превращающим пируват в ацетил-СоА в митохондриальном матриксе; в ходе этих реакций также образуется NADH. А, В, С - это три фермента: пируватдегидрогеназа, дигидролипоил-трансацетилиза и дигидролипоил- дегидрогеназа, функции которых сопряжены, как показано на рисунке. Строение комплекса изображено на рис. 2-40; комплекс содержит также протеинкиназу и протеинфосфатазу, которые регулируют активность пируватдегидрогеназы, «отключая» ее при высоких концентрациях АТР. 7.1.4. Окисление ацетильной группы до ацетил-СоА в цикле лимонной кислоты ведет к образованию молекул NADH и FADH 2 для дыхательной цепи [5] Еще в прошлом веке биологи заметили, что в отсутствие воздуха (в анаэробных условиях) клетки образуют молочную кислоту (или этанол), тогда как в аэробных условиях они используют кислород, образуя СО 2 и Н 2 О. Усилия по выяснению путей аэробного метаболизма в конце концов сосредоточились на окислении пирувата и привели в 1937 г. к открытию цикла лимонной кислоты, называемого также циклом трикарбоновых кислот или циклом Кребса. В большинстве клеток в цикле лимонной кислоты происходит около двух третей всех реакций окисления углеродных соединений. Главные конечные продукты этого цикла - СО 2 и NADH. CO 2 выделяется как побочный продукт, а молекулы NADH передают свои богатые энергией электроны в дыхательную цепь, в конце которой эти электроны используются для восстановления О 2 до Н 2 О. Цикл лимонной кислоты начинается с взаимодействия между ацетил-СоА, образованным из жирных кислот или пирувата, и четырехуглеродным соединением оксалоацетатом, в результате чего образуется шестиуглеродная лимонная кислота, которая и дала название всему циклу. Далее в ходе семи последовательных ферментативных реакций два атома углерода удаляются в виде СО 2 и в конце концов регенерируется оксалоацетат. Каждый оборот цикла дает две молекулы СО 2 , образующиеся из двух углеродных атомов, поступивших в предыдущие обороты цикла (рис. 7-14). Превращение ацетильной группы в составе ацетил-СоА можно представить следующей суммарной реакцией: СН 3 СООН (в виде ацетил-СоА) + 2Н 2 О + 3NAD + + FAD, связанный с белком → 2СО 2 + ЗН + + 3NADH + FADH 2 , связанный с белком. Кроме того, в результате этой реакции синтезируется одна молекула АТР (через GTP) путем субстратного фосфорилирования, подобно тому как это происходит при гликолизе (см. разд. 2.3.2). Наиболее важный вклад цикла лимонной кислоты в метаболизм - это извлечение высокоэнергетических электронов, происходящее при окислении двух углеродных атомов в молекуле ацетил-СоА. Эти электроны связываются NADH и FADH 2 и затем быстро передаются в дыхательную цепь во внутренней митохондриальной мембране. FADH 2 - компонент сукцинатдегидрогеназного комплекса внутренней мембраны - передает свои электроны непосредственно в дыхательную цепь. В отличие от этого NADH образует растворимый пул восстанавливающих эквивалентов в матриксе и отдает свои электроны в результате случайных взаимодействий с мембраносвязанной дегидрогеназой. Рассмотрим теперь, каким образом энергия этих электронов используется для синтеза АТР. 438 Рис.7-14. Цикл лимонной кислоты. Промежуточные продукты представлены в виде свободных жирных кислот, хотя в действительности карбоксильные группы ионизированы. Каждая из показанных реакций катализируется особым ферментом; все эти ферменты находятся в матриксе митохондрии. Два углеродных атома, приносимые с ацетил-CoA, превращаются в СО 2 в последующих оборотах цикла. Цветом выделены два углеродных атома, превращающиеся в СО 2 уже в данном цикле. Кроме того, образуются три молекулы NADH. Образующаяся молекула GTP может быть превращена в АТР путем обменной реакции GTP + ADP → GDP + АТР. Молекула FADH 2 остается в составе сукцинатдегидрогеназного комплекса, находящегося во внутренней мембране митохондрии; этот комплекс передает электроны с FADH 2 непосредственно на убихинон. 7.1.5. На митохондриальной мембране энергия окислительных реакций преобразуется в результате хемиосмотического процесса в энергию АТР [6] Хотя цикл лимонной кислоты составляет часть аэробного метаболизма, ни в одной из реакций этого цикла, приводящих к образованию NADH и FADH 2 , молекулярный кислород не принимает прямого участия; это происходит только в завершающей серии катаболических реакций, протекающих на внутренней мембране. Почти вся энергия, получаемая на ранних этапах окисления от сжигания углеводов, жиров и других питательных веществ, вначале запасается в форме высокоэнергетических электронов, переносимых NADH и FADH. Затем эти электроны взаимодействуют с молекулярным кислородом в дыхательной цепи. Так как большое количество высвобождаемой энергии используется ферментами внутренней мембраны для синтеза АТР из ADP и Р i , эти последние реакции называют окислительным фосфорилированием (рис. 7- 15). Как уже упоминалось, синтез АТР в реакциях окислительного фосфорилирования, протекающих в дыхательной цепи, зависит от хемиосмотического процесса. Механизм этого процесса, впервые предложенный в 1961 г., позволил разрешить проблему, давно стоявшую перед биологией клетки. Однако идея была настолько нова, что лишь через несколько лет она получила всеобщее признание в результате Рис. 7-15. Основной итог превращения энергии, происходящего в митохондрии. В этом процессе, называемом окислительным фосфорилированием, внутренняя митохондриальная мембрана играет роль энергопреобразующего устройства, которое превращает часть энергии окисления NADH (и FADH 2 ) в энергию фосфатных связей АТР. 439 Таблица 7-1 . Хемиосмотическое сопряжение Хемиосмотическая гипотеза, предложенная в начале 60-х годов, включала четыре независимых постулата, касавшиеся функции митохондрий: 1. Митохондриальная дыхательная цепь, находящаяся во внутренней мембране, способна перемещать протоны; при прохождении электронов по дыхательной цепи происходит «откачивание» Н + из матрикса. 2. Митохондриальный АТР-синтетазный комплекс тоже перемещает протоны через внутреннюю мембрану. Поскольку этот процесс обратим, фермент может не только использовать энергию гидролиза АТР для переноса Н + через мембрану, но при достаточно большом протонном градиенте протоны начинают «течь» через АТР-синтетазу в обратном направлении, что сопровождается синтезом АТР. 3. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для Н + , ОН" и вообще всех анионов и катионов. 4. Внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд белков-переносчиков, осуществляющих транспорт необходимых метаболитов и неорганических ионов. накопления экспериментальных данных. Раньше думали, что энергию для синтеза АТР в дыхательной цепи обеспечивает такой же механизм, как и при субстратном фосфорилировании: предполагалось, что энергия окисления используется для образования высокоэнергетической связи между фосфатной группой и каким-то промежуточным соединением и что превращение ADP в АТР осуществляется за счет энергии, выделяемой при разрыве этой связи. Однако, несмотря на интенсивные поиски, предполагаемый интермедиат не был обнаружен. Согласно хемиосмотической гипотезе, вместо богатых энергией промежуточных продуктов существует прямая связь между процессами химическими («хеми...») и транспортными (осмотическими, от греческого osmos - толчок, давление) - хемиосмотическое сопряжение (табл. 7-1). При прохождении высокоэнергетических электронов, доставляемых NADH и FADH 2 , по дыхательной цепи внутренней митохондриальной Рис. 7-16. Потоки важнейших метаболитов, поступающих в митохондрию и выходящих из нее. Пируват и жирные кислоты входят в митохондрию и метаболизируются в цикле лимонной кислоты, в котором образуется NADH. Затем в ходе окислительного фосфорилирования богатые энергией электроны NADH передаются на кислород с помощью дыхательной цепи, находящейся во внутренней мембране; при этом благодаря хемиосмотическому механизму образуется АТР. NADH, образовавшийся в цитозоле при гликолизе, тоже передает свои электроны в дыхательную цепь (не показано). Так как NADH не способен проходить через внутреннюю мембрану, перенос его электронов осуществляется непрямым путем -при помощи одной из нескольких челночных систем, транспортирующих в митохондрию другое восстановленное соединение; после окисления это соединение возвращается в цитозоль, где вновь восстанавливается с помощью NADH. 440 мембраны от одного переносчика к следующему высвобождается энергия, которая используется для перекачивания протонов (Н + ) через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство. В результате на внутренней мембране создается электрохимический протонный градиент; энергию обратного тока протонов «вниз» по этому градиенту использует связанный с мембраной фермент АТР-синтетаза, катализирующий образование АТР из ADP и Р i , т. е. завершающий этап окислительного фосфорилирования (рис. 7-16). В оставшейся части этого раздела мы кратко рассмотрим тот тип реакций, который делает возможным окислительное фосфорилирование; детали будут обсуждаться позже (разд. 7.2). 7.1.6. Электроны переносятся с NADH на кислород с помощью трех больших ферментных комплексов дыхательной цепи [7] Хотя механизмы извлечения энергии в дыхательной цепи и в других катаболических реакциях различны, в их основе лежат общие принципы. Реакция Н 2 + 1/2 О 2 → Н 2 О разбита на много небольших «шагов», так что высвобождаемая энергия может переходить в связанные формы, а не рассеивается в виде тепла. Как и в случае образования АТР и NADH при гликолизе или в цикле лимонной кислоты, это связано с использованием непрямого пути. Но уникальность дыхательной цепи заключается в том, что здесь прежде всего атомы водорода расщепляются на электроны и протоны. Электроны передаются через серию переносчиков, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану. Когда электроны достигают конца этой электронтранспортной цепи, протоны оказываются там же для нейтрализации отрицательного заряда, возникающего при переходе электронов на молекулу кислорода (рис. 7-17). Проследим процесс окисления, начиная с образования NADH - главного акцептора реактивных электронов, извлекаемых при окислении молекул питательных веществ. Каждый атом водорода Рис. 7-17. Эти схемы показывают, каким образом большая часть энергии «сжигания» водорода не рассеивается в виде тепла (слева), а улавливается и запасается в полезной для клетки форме с помощью электронтранспортной цепи, находящейся во внутренней митохондриальной мембране (справа). Остаток энергии высвобождается митохондрией в форме тепла. В действительности изображенные здесь электроны и протоны отнимаются от атомов водорода, ковалентно связанных с молекулами NADH или FADH 2 (см. рис. 7-18). 441 Рис. 7-18. Предполагаемый механизм биологического окисления спирта в альдегид. От молекулы спирта отщепляются компоненты двух полных атомов водорода, при этом гидрид-ион переносится на NAD + , а протон переходит в водную среду. Здесь представлены только никотинамидные кольца, входящие в состав NAD + и NADH (см. рис. 2-22). Показанные стадии процесса протекают на поверхности фермента алкогольдегидрогеназы (не показан) при участии его специфических групп. (С разрешения P. F. Cook, N.J. Oppenheimer, W. W. Cleland, Biochemistry, 20: 1817 1825, 1981. Copyright 1981, American Chem. Soc.) (будем обозначать его Н) состоит из одного электрона (е - ) и одного протона (Н + ). Механизм присоединения электронов к NADH обсуждался раньше (разд. 2.3.4) и более детально представлен на рис. 7-18. Как ясно из этой схемы, каждая молекула NADH несет гидрид-ион (водородный атом плюс добавочный электрон, Н: - ), а не просто атом водорода. Однако из-за присутствия в окружающем водном растворе свободных протонов перенос гидрид-иона в составе NADH эквивалентен переносу двух атомов водорода или молекулы водорода (Н: - + Н + → Н 2 ). Перенос электронов по дыхательной цепи начинается с отнятия гидрид-иона (Н: - ) от NADH; при этом регенерируется NAD + , a гидрид- ион превращается в протон и два электрона (Н: - → Н + + 2е - ). Эти электроны переходят на первый из более чем 15 различных переносчиков электронов в дыхательной цепи. В этот момент электроны обладают очень большой энергией, запас которой постепенно уменьшается по мере прохождения их по цепи. Чаще всего электроны переходят от одного атома металла к другому, причем каждый из этих атомов прочно связан с белковой молекулой, которая влияет на его сродство к электрону. Разнообразные типы переносчиков электронов в дыхательной цепи будут подробно рассмотрены позднее (разд. 7.2.5). Важно отметить, что все белки - переносчики электронов - группируются в три больших комплекса дыхательных ферментов, каждый из которых содержит трансмембранные белки, прочно закрепляющие комплекс во внутренней мембране митохондрии (см. разд. 7.2.6). Каждый последующий комплекс обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий. Электроны последовательно переходят с одного комплекса на другой, пока наконец не перейдут на кислород, имеющий наибольшее сродство к электрону. 7.1.7. Энергия, высвобождаемая в процессе переноса электронов по дыхательной цепи, запасается в форме электрохимического протонного градиента на внутренней мембране митохондрий [8] Окислительное фосфорилирование возможно благодаря тесной ассоциации переносчиков электронов с белковыми молекулами. Белки 442 Рис. 7-19. Две составляющие электрохимического протонного градиента. Общая протонодвижущая сила, создающаяся на внутренней митохондриальной мембране, складывается из большой силы, обусловленной мембранным потенциалом (традиционно обозначается как ∆ψ, но в нашем тексте - как ∆V), и меньшей, которую создает градиент концентрации протонов (∆рН). Обе силы стремятся перемещать протоны внутрь матрикса. направляют электроны по дыхательной цепи так, что они последовательно переходят от одного ферментного комплекса к другому, не «перескакивая» через промежуточные звенья. Особенно важно то, что перенос электронов сопряжен с аллостерическими изменениями определенных белковых молекул, в результате чего энергетически выгодный поток электронов вызывает перекачивание протонов (Н + ) через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство и далее за пределы митохондрии. Передвижение протонов приводит к двум важным следствиям: 1) между двумя сторонами внутренней мембраны создается градиент рН - в матриксе рН выше, чем в цитозоле, где значение рН обычно близко к 7,0 (так как малые молекулы свободно проходят через наружную мембрану митохондрии, рН в межмембранном пространстве будет таким же, как в цитозоле); 2) на внутренней мембране создается градиент напряжения (мембранный потенциал), причем внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно, а наружная - положительно. Градиент рН (∆рН) заставляет ионы Н + переходить обратно в матрикс, а ионы ОН - из матрикса, что усиливает эффект мембранного потенциала (∆V), под действием которого любой положительный заряд притягивается в матрикс, а любой отрицательный выталкивается из него. Совместное действие этих двух сил приводит к возникновению электрохимического протонного градиента (рис. 7-19). Электрохимический протонный градиент создает протонодвижущую силу, измеряемую в милливольтах (мВ). Так как градиент рН (∆рН) в 1 единицу рН эквивалентен мембранному потенциалу около 60 мВ, протонодвижущая сила будет равна ∆V — 60 (∆рН). В типичной клетке эта сила на внутренней мембране дышащей митохондрии составляет около 220 мВ и складывается из мембранного потенциала примерно в 160 мВ и градиента рН, близкого к — 1 единице рН. 7.1.8. Энергия электрохимического протонного градиента используется для синтеза АТР и транспорта метаболитов и |