Введение

Энергопроизводящий метаболический путь
Транспортная цепь электронов (ТЦЭ) представляет собой серию белковых комплексов и других молекул, которые переносят электроны от доноров электронов к акцепторам электронов посредством окислительно-восстановительных реакций (одновременное протекание процессов восстановления и окисления), и связывают этот перенос электронов с переносом протонов (ионов H+) через мембрану. Многие ферменты в транспортной цепи электронов встроены в мембрану. Перенос электронов через транспортную цепь является экзергоническим процессом. Энергия, высвобождаемая в ходе окислительно-восстановительных реакций, создает электрохимический градиент протонов, который обеспечивает синтез аденозинтрифосфата (АТФ). При аэробном дыхании перенос электронов завершается молекулярным кислородом в качестве конечного акцептора электронов. При анаэробном дыхании используются другие акцепторы электронов, такие как сульфат. В транспортной цепи электронов окислительно-восстановительные реакции обусловлены разницей свободной энергии Гиббса между реагентами и продуктами. Свободная энергия, высвобождаемая при переходе от донора и акцептора электронов с более высокой энергией к продуктам с более низкой энергией, а также при переносе электронов с более низкого к более высокому окислительно-восстановительному потенциалу, используется комплексами транспортной цепи электронов для создания электрохимического градиента ионов. Именно этот электрохимический градиент обеспечивает синтез АТФ посредством связи с окислительным фосфорилированием и АТФ-синтазой. У эукариотических организмов транспортная цепь электронов и место окислительного фосфорилирования находятся на внутренней митохондриальной мембране. Энергия, высвобождаемая в реакциях кислорода и восстановленных соединений, таких как цитохром c и (косвенно) NADH и FADH2, используется транспортной цепью электронов для перекачки протонов в межмембранное пространство, создавая электрохимический градиент на внутренней митохондриальной мембране. У фотосинтезирующих эукариот транспортная цепь электронов находится на тилакоидной мембране. Здесь световая энергия приводит к переносу электронов через протонный насос, а образовавшийся градиент протонов вызывает последующий синтез АТФ. У бактерий транспортная цепь электронов может варьироваться в зависимости от вида, но она всегда представляет собой набор окислительно-восстановительных реакций, связанных с синтезом АТФ посредством генерации электрохимического градиента и окислительного фосфорилирования через АТФ-синтазу.

Митохондриальные цепи транспорта электронов

Большинство эукариотических клеток имеют митохондрии, которые производят АТФ в результате реакций кислорода с продуктами цикла Кребса, метаболизма жирных кислот и метаболизма аминокислот. На внутренней митохондриальной мембране электроны от NADH и FADH₂ проходят через цепь переноса электронов к кислороду, который обеспечивает энергию, необходимую для процесса, восстанавливаясь при этом до воды. Цепь переноса электронов состоит из последовательности ферментов – доноров и акцепторов электронов. Каждый донор электронов передает электроны акцептору с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом, который, в свою очередь, передает эти электроны другому акцептору, и этот процесс продолжается по цепи, пока электроны не будут переданы кислороду – конечному акцептору электронов. Каждая реакция высвобождает энергию, поскольку донор и акцептор с более высоким энергетическим уровнем превращаются в продукты с более низким энергетическим уровнем. Благодаря переносимым электронам эта энергия используется для создания протонного градиента через митохондриальную мембрану путем "накачки" протонов в межмембранное пространство, создавая состояние с более высокой свободной энергией, способное совершать работу. Весь этот процесс называется окислительным фосфорилированием, поскольку АДФ фосфорилируется до АТФ за счет электрохимического градиента, созданного окислительно-восстановительными реакциями цепи переноса электронов, которые приводятся в действие реакциями высвобождения энергии кислородом.

Комплекс II

В комплексе II (сукцинатдегидрогеназы или сукцинат-CoQ редуктазы) дополнительные электроны поступают в пул хинонов (Q), происходящие из сукцината, и переносятся (через флавин-адениндинуклеотид (FAD)) в Q. Комплекс II состоит из четырех белковых субъединиц: сукцинатдегидрогеназы (SDHA); сукцинатдегидрогеназы [убихинон] железо-серной субъединицы митохондриальной (SDHB); субъединицы C сукцинатдегидрогеназного комплекса (SDHC); и субъединицы D сукцинатдегидрогеназного комплекса (SDHD). Другие доноры электронов (например, жирные кислоты и глицерин-3-фосфат) также направляют электроны в Q (через FAD). Комплекс II представляет собой параллельный путь транспорта электронов к Комплексу I, но, в отличие от Комплекса I, протоны не транспортируются в межмембранное пространство по этому пути. Следовательно, путь через Комплекс II вносит меньший вклад в энергию общего процесса электрон-транспортной цепи.

Комплекс IV

В комплексе IV (цитохром c оксидаза), иногда называемом цитохромом AA3, четыре электрона удаляются из четырех молекул цитохрома c и передаются молекулярному кислороду (O₂) и четырем протонам, в результате чего образуются две молекулы воды. Комплекс содержит координированные ионы меди и несколько гемовых групп. Одновременно восемь протонов удаляются из митохондриального матрикса (хотя только четыре транслоцируются через мембрану), что способствует формированию протонного градиента. Точные механизмы протонного переноса в комплексе IV все еще изучаются. Цианид является ингибитором комплекса IV.

Соединение с окислительным фосфорилированием

Согласно гипотезе химиосмотической связи, предложенной лауреатом Нобелевской премии по химии Питером Д. Митчеллом, электрон-транспортная цепь и окислительное фосфорилирование соединены протонным градиентом через внутреннюю митохондриальную мембрану. Выход протонов из митохондриального матрикса создает электрохимический градиент (протонный градиент). Этот градиент используется комплексом F<sub>0</sub>F<sub>1</sub>-АТФ-синтазы для синтеза АТФ посредством окислительного фосфорилирования. АТФ-синтазу иногда описывают как комплекс V электрон-транспортной цепи. F-компонент АТФ-синтазы действует как ионный канал, обеспечивающий поток протонов обратно в митохондриальный матрикс. Он состоит из субъединиц a, b и c. Протоны в межмембранном пространстве митохондрий сначала входят в комплекс АТФ-синтазы через канал субъединицы a. Затем протоны перемещаются к субъединицам c. Количество субъединиц c определяет, сколько протонов требуется для одного полного оборота F<sub>0</sub>. Например, у человека 8 субъединиц c, следовательно, требуется 8 протонов. После субъединиц c протоны, наконец, входят в матрицу через канал субъединицы a, который открывается в митохондриальный матрикс. Связывание с окислительным фосфорилированием является ключевым этапом для производства АТФ. Однако в определенных случаях разъединение этих двух процессов может быть биологически полезным. Разъединяющий белок, термогенин, присутствующий во внутренней митохондриальной мембране бурой жировой ткани, обеспечивает альтернативный путь для возврата протонов в митохондриальный матрикс. Тироксин также является естественным разъединителем. Этот альтернативный путь приводит к термогенезу, а не к производству АТФ.

Обратный поток электронов

Обратный поток электронов — это перенос электронов через цепь переноса электронов посредством обратных окислительно-восстановительных реакций. Обычно требующий затрат значительного количества энергии, он может восстанавливать окисленные формы доноров электронов. Например, NAD+ может быть восстановлен до NADH комплексом I. Показано, что несколько факторов способны индуцировать обратный поток электронов. Однако для подтверждения этого необходимы дальнейшие исследования. Одним из примеров является блокировка АТФ-синтазы, приводящая к накоплению протонов и, как следствие, к увеличению протонного градиента, что индуцирует обратный поток электронов.

Доноры электронов

В современной биосфере наиболее распространенными донорами электронов являются органические молекулы. Организмы, использующие органические молекулы в качестве источника электронов, называются органотрофами. Хемоорганотрофы (животные, грибы, протисты) и фотолитотрофы (растения и водоросли) составляют подавляющее большинство всех известных форм жизни. Некоторые прокариоты могут использовать неорганические вещества в качестве источника электронов. Такой организм называется (хемо)литотрофом ("пожирателем камней"). Неорганические доноры электронов включают водород, оксид углерода, аммиак, нитрит, серу, сульфид, оксид марганца и железо (II). Литотрофы были обнаружены в скальных образованиях на глубине тысяч метров под поверхностью Земли. В силу объёма их распространения, литотрофы, возможно, превосходят по численности органотрофов и фототрофов в нашей биосфере. Использование неорганических доноров электронов, таких как водород, в качестве источника энергии представляет особый интерес при изучении эволюции. Логически, этот тип метаболизма должен был предшествовать использованию органических молекул и кислорода в качестве источника энергии.

Дегидрогеназы: эквиваленты комплексов I и II

Бактерии могут использовать несколько различных доноров электронов. Когда органическое вещество служит источником электронов, донором может быть NADH или сукцинат, в этом случае электроны поступают в цепь переноса электронов через NADH-дегидрогеназу (аналогичную комплексу I в митохондриях) или сукцинатдегидрогеназу (аналогичную комплексу II). Для переработки различных источников энергии могут использоваться и другие дегидрогеназы: форматная дегидрогеназа, лактатдегидрогеназа, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, H-дегидрогеназа (гидрогеназа), цепь переноса электронов. Некоторые дегидрогеназы также являются протоновыми насосами, а другие направляют электроны в пул хинонов. Большинство дегидрогеназ проявляют индуцированную экспрессию в бактериальной клетке в ответ на метаболические потребности, вызванные условиями среды, в которой растут клетки. В случае лактатдегидрогеназы у E. coli, фермент используется как в аэробных условиях, так и в сочетании с другими дегидрогеназами. Он индуцируем и экспрессируется при высокой концентрации DL-лактата в клетке.

Носители хинона

Киноны – это подвижные, липидорастворимые переносчики, которые транспортируют электроны (и протоны) между крупными, относительно неподвижными макромолекулярными комплексами, встроенными в мембрану. Бактерии используют убихинон (коэнзим Q, тот же хинон, что и в митохондриях) и родственные хиноны, такие как менахинон (витамин К). Археи рода Sulfolobus используют кальдариеллахинон. Использование различных хинонов обусловлено небольшими изменениями в окислительно-восстановительных потенциалах, вызванными изменениями в их структуре. Эти изменения в окислительно-восстановительных потенциалах хинонов могут соответствовать изменениям в электронных акцепторах или колебаниям окислительно-восстановительных потенциалов в бактериальных комплексах.

Протонные насосы

Протонный насос – это любой процесс, создающий протонный градиент через мембрану. Протоны могут перемещаться через мембрану физически, как это происходит в митохондриальных комплексах I и IV. Тот же эффект может быть достигнут путем перемещения электронов в противоположном направлении. В результате протон исчезает из цитоплазмы и появляется в периплазме. Митохондриальный комплекс III является протонным насосом второго типа, функционирующим через хинон (Q-цикл). Некоторые дегидрогеназы являются протонными насосами, а другие – нет. Большинство оксидаз и редуктаз – протонные насосы, но некоторые из них – нет. Цитохром bc1 – это протонный насос, который встречается во многих, но не во всех бактериях (отсутствует у E. coli). Как следует из названия, бактериальный bc1 подобен митохондриальному bc1 (комплексу III).

Цитохромные носители электронов

Цитохромы – это белки, содержащие железо. Они встречаются в двух совершенно различных средах. Некоторые цитохромы являются водорастворимыми переносчиками, которые транспортируют электроны к и от крупных, неподвижных макромолекулярных структур, встроенных в мембрану. Мобильным переносчиком электронов цитохрома в митохондриях является цитохром c. Бактерии используют ряд различных мобильных цитохромных переносчиков электронов. Другие цитохромы находятся внутри макромолекул, таких как Комплекс III и Комплекс IV. Они также функционируют как переносчики электронов, но в совершенно иной, внутримолекулярной, твердофазной среде. Электроны могут поступать в цепь переноса электронов на уровне подвижного цитохромного или хинонного переносчика. Например, электроны от неорганических доноров электронов (нитритов, железа(II), цепи переноса электронов) поступают в цепь переноса электронов на цитохромном уровне. Когда электроны поступают на уровне окислительно-восстановительного потенциала выше, чем у NADH, цепь переноса электронов должна работать в обратном направлении для производства этой необходимой молекулы с более высокой энергией.

Акцепторы электронов и конечные оксидазы/редуктазы

Поскольку существует несколько различных доноров электронов (органическое вещество у органотрофов, неорганическое вещество у литотрофов), существует несколько различных акцепторов электронов, как органических, так и неорганических. Как и на других этапах электрон-транспортной цепи, для этого процесса требуется фермент. Если кислород доступен, он чаще всего используется в качестве терминального акцептора электронов у аэробных бактерий и факультативных анаэробов. Оксидаза восстанавливает O₂ до воды, окисляя при этом другое вещество. В митохондриях терминальный мембранный комплекс (комплекс IV) представляет собой цитохром-оксидазу, которая окисляет цитохром. Аэробные бактерии используют ряд различных терминальных оксидаз. Например, E. coli (факультативный анаэроб) не имеет цитохром-оксидазы или комплекса bc₁. В аэробных условиях она использует две различные терминальные хиноловые оксидазы (оба – протонные насосы) для восстановления кислорода до воды. Бактериальные терминальные оксидазы можно разделить на классы в зависимости от молекул, выступающих в качестве терминальных акцепторов электронов. Оксидазы класса I – это цитохромные оксидазы, использующие кислород в качестве конечного акцептора электронов. Оксидазы класса II – это хиноловые оксидазы, которые могут использовать различные терминальные акцепторы электронов. Оба этих класса могут быть подразделены на категории, основанные на содержащихся в них редокс-активных компонентах. Например, гемо aa₃. Терминальные оксидазы класса 1 гораздо эффективнее терминальных оксидаз класса 2. В основном в анаэробных условиях используются различные акцепторы электронов, включая нитраты, нитриты, ионы железа(III), сульфаты, углекислый газ и небольшие органические молекулы, такие как фумарат. Когда бактерии растут в анаэробных условиях, терминальный акцептор электронов восстанавливается ферментом, называемым редуктазой. E. coli может использовать фумаратредуктазу, нитратредуктазу, нитритредуктазу, DMSO-редуктазу или триметиламин N-оксидредуктазу, в зависимости от доступности этих акцепторов в окружающей среде. Большинство терминальных оксидаз и редуктаз являются индуцируемыми. Они синтезируются организмом по мере необходимости в ответ на специфические условия окружающей среды.

Фотосинтетические

При окислительном фосфорилировании электроны передаются от донора электронов, такого как NADH, к акцептору, такому как O₂, через цепь переноса электронов, высвобождая энергию. При фотофосфорилировании энергия солнечного света используется для создания донора электронов с высокой энергией, который впоследствии может восстанавливать окисленные компоненты и связываться с синтезом АТФ посредством транслокации протонов цепью переноса электронов. Фотосинтетические цепи переноса электронов, подобно митохондриальной цепи, можно рассматривать как частный случай бактериальных систем. Они используют подвижные, липидорастворимые переносчики хинонов (филлохинон и пластохинон) и подвижные, водорастворимые переносчики (цитохромы). Они также содержат протонный насос. Протонный насос во всех фотосинтетических цепях аналогичен митохондриальному комплексу III. Общепринятая теория симбиогенеза предполагает, что обе органеллы произошли от бактерий.