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.
An electron transport chain (ETC) is a series of protein complexes and other molecules that transfer electrons from electron donors to electron acceptors via redox reactions (both reduction and oxidation occurring simultaneously) and couples this electron transfer with the transfer of protons (H+ ions) across a membrane. Many of the enzymes in the electron transport chain are embedded within the membrane. The flow of electrons through the electron transport chain is an exergonic process. The energy from the redox reactions creates an electrochemical proton gradient that drives the synthesis of adenosine triphosphate (ATP). In aerobic respiration, the flow of electrons terminates with molecular oxygen as the final electron acceptor. In anaerobic respiration, other electron acceptors are used, such as sulfate. In an electron transport chain, the redox reactions are driven by the difference in the Gibbs free energy of reactants and products. The free energy released when a higher energy electron donor and acceptor convert to lower energy products, while electrons are transferred from a lower to a higher redox potential, is used by the complexes in the electron transport chain to create an electrochemical gradient of ions. It is this electrochemical gradient that drives the synthesis of ATP via coupling with oxidative phosphorylation with ATP synthase. In eukaryotic organisms, the electron transport chain, and site of oxidative phosphorylation, is found on the inner mitochondrial membrane. The energy released by reactions of oxygen and reduced compounds such as cytochrome c and (indirectly) NADH and FADH2 is used by the electron transport chain to pump protons into the intermembrane space, generating the electrochemical gradient over the inner mitochondrial membrane. In photosynthetic eukaryotes, the electron transport chain is found on the thylakoid membrane. Here, light energy drives electron transport through a proton pump and the resulting proton gradient causes subsequent synthesis of ATP. In bacteria, the electron transport chain can vary between species but it always constitutes a set of redox reactions that are coupled to the synthesis of ATP through the generation of an electrochemical gradient and oxidative phosphorylation through ATP synthase.
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.