Строение внутренней мембраны митохондрий

(цепь переноса электронов)

Наружная мембрана

Межмембранное пространство

цх с

         2Н⁺ 2Н⁺

цх с1

цх аа3

ФМНН2

                                                                                     +0,83В    

Q Н   ФМНН2 ФМН

                             Q Н₂

Цх bL

                 Q Н^•

Цх H

FeS

О2

II

               Q Н^•

FeS

                Q

 

-0,42В                        2Н⁺

S Н ₂ + НАД⁺ → НАД Н•Н⁺ + S

         

 

Железо-серный белок

Направление протонов и электронов

Грибовидный вырост

                                                                                           Протонный канал

Названия дыхательных комплексов:

 

I комплекс – НАДН•Н⁺- убихинон-оксидоредуктаза – катализирует перенос электронов от НАДН к убихинону (КоQ);

II комплекс – сукцинат- убихинон-оксидоредуктаза – катализирует перенос электронов от сукцината к убихинону (КоQ);

III комплекс – убихинол-цитохром с -оксидоредуктаза – катализирует перенос электронов от КоQН₂ к цитохрому с;

IV комплекс – цитохром с -О₂-оксидаза – катализирует перенос электронов от цитохрома с к кислороду;

V комплекс – АТФ-синтаза (синтез АТФ).

Важная роль в передаче электронов от одного комплекса принадлежит КоQ и цитохрому с. Цитохром с является единственным растворимым цитохромом и наряду с коэнзимом Q служит мобильным элементов дыхательной цепи, осуществляя связб межу фиксированными в мембране комплексами.

I КОМПЛЕКС – НАДН•Н⁺- УБИХИНОН-ОКСИДОРЕДУКТАЗА (или НАДН-дегидрогеназа)

Это сложный, пронизывающий мембрану полиферментный комплекс, состоящий из 42 полипептидных цепей, обладающий большой молекулярной массой (700 – 900 кДа). Содержит более 30 различных белков, коферментом которых является ФМН. В состав I комплекса входят также 5 железо-серных белков (содержат 20 атомов негеминового железа и 20 атомов серы), содержащие от 7 до 9 FeS-центров (кластеров). По форме комплекс I напоминает английскую букву «L». Комплекс находится в окружении липидов, активный центр обращен в матрикс митохондрий. Комплекс I катализирует 2 сопряженных процесса:

1) экзергонический транспорт электронов к убихинону гидрид-иона от НАДН и протона из матрикса: НАДН•Н⁺ + КоQ → НАД⁺ + КоQН₂;

2) эндергонический перенос 4-х протонов из матрикса в межмембранное пространство.

Комплекс I катализирует перенос гидрид-иона от НАДН к ФМН, от которго 2 е^- движутся через ряд FeS-центров к FeS-белку, находящемуся на матричной стороне внутренней мембраны. От него электроны переносятся к КоQ на мембранной части комплекса с образованием восстановленной молекулы КоQН₂.

Движение протонов в межмембранное пространство приводит к образованию электрохимического потенциала на внутренней мембране митохондрий, который накапливает энергию, высвобождаемую при переносе электронов. При этом наружная сторона внутренней мембраны, обращенная в межмембранное пространство, заряжается положительно, а сторона, обращенная к матриксу – отрицательно.

Строение комплекса I дыхательной цепи.

 

С помощью электронной микроскопии установлено, что I комплекс состоит из 2-х частей, L-формы. Гидрофобный горизонтальный фрагмент находится в толще липидного слоя и содержит субъединицы, которые кодируются митохондриальной ДНК. Вертикальный фрагмент содержит периферические мембранные белки и обращен к матриксу митохондрий. НАДН связывается с вертикальным фрагментом и переносит электроны на ФМН. Затем электроны перемещаются внутри вертикального фрагмента через три FeS-центра (4Fe4S) на прочно связанный КоQ вертикального фрагмента. Пара электронов от КоQ переносится на 2Fe2S-центры и на мобильный КоQ гидрофобного слоя мембраны.

 

ФМН способен восстанавливаться, присоединяя 2 атома водорода (т.е. 2 протона и 2 электрона), отдаваемых НАДН-зависимыми дегидрогеназами матрикса митохондрий.

В переносе двух атомов водорода принимают участие 1-й и 10-й атомы азота ФМН.

Железо-серные белки осуществляют разделение потока протонов и электронов, при этом электроны от ФМНН₂ переносятся к внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрий (обращенной к матриксу), а протоны – к внешней поверхности внутренней мембраны (в межмембранное пространство) и выделяются в межмембранное пространство. Т.о., железо-серные белки – это «ловушки» для электронов. После того, как железо окисляется следующим акцептором, ФМН передает ему второй электрон.

 

НАДН•Н⁺ + ФМН → НАД⁺ + ФМНН₂;

ФМНН₂ + Fe³⁺ → ФМНН^• (семихинон) + Fe²⁺ + Н⁺

 

Комплекс I на каждые два переносимых электрона «закачивает» в межмембранное пространство 4 протона. Механизм этого переноса еще недостаточно изучен. Основной путь переноса электронов:

НАДН•Н⁺ → ФМН → FeS -центры → Ко Q → FeS -белки → Ко Q Н₂

 

Т.о., комплекс I окисляет НАДН, перенося с него 2 электрона на КоQ и перекачивая 4 протона из матрикса в межмембранное пространство митохондрий.

Окисление НАДН•Н⁺ происходит следующим образом.

1) 2 электронов и 2 протона переносятся с НАДН₂ на флавопротеин (комплекс I), который направляет 2 протона (2Н⁺) в межмембранное пространство, а 2 е^- - на FeS-центры дыхательной цепи;

2) с FeS-центров 2 е^- передаются далее на убихинон (КоQ), а 2Н⁺ убихинон захватывает из матрикса, превращаясь в восстановленную форму (КоQН₂). Эта пара протонов водорода (2Н⁺) выталкивается в межмембранное пространство, а электроны далее передаются по дыхательной цепи - на комплекс III (не на II комплекс!). Убихинон (КоQ) может принимать как 1е^-, так и 2е^-.

 

Т.о., в результате работы НАДН-дегидрогеназы кофермент НАДН переходит в окисленную форму:

НАДН•Н⁺ + Ко Q → НАД⁺ + Ко Q Н₂

 

 

 

II КОМПЛЕКС ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ - СУКЦИНАТ- УБИХИНОН-ОКСИДОРЕДУКТАЗА (или сукцинат-дегидрогеназа)

 

Комплекс отличается меньшей молекулярной массой – 97 кДа. Состоит из 4-х субъединиц. В состав комплекса также входят железо-серные белки с тремя типами Fe-S-центров:

1) 4Fe-4S;

2) 3Fe-4S;

3) 2Fe-2S

С этим комплексом взаимодействуют:

1) сукцинат – поступающий из матрикса митохондрий;

2) жирные кислоты, находящиеся в матриксе митохондрий.

Коферментом комплекса является ФАД, который ковалентно связан с комплексом.

Первичным акцептором водорода является ФАД: электроны транспортируются от сукцината к ФАД, затем через Fe-S-центры к убихинону. Выталкивание протонов в межмембранное пространство не происходит, т.к. изменения свободной энергии незначительно.

Путь, по которому проходят электроны в комплексе:

 

сукцинат → ФАДН₂ → 2 FeS → Ко Q Н₂

 

Комплекс II называют еще флавопротеином 2 (ФП₂; ФП₁ является комплекс I), т.к. на этом участке ЦПЭ в общий фонд КоQ передают свои электроны другие флавопротеины:

1) ацил-КоА-дегидрогеназа (ФП₃), окисляющая активную жирную кислоту – ацил-КоА;

2) глицеролфосфат-3-дегидрогеназа (ФП₄), которая окисляет глицерол-3-фосфат, образующийся при распаде ТАГ (триацилглицеролов) или диоксиацетонфосфата при гликолизе. Фермент локализована на наружной стороне внутренней мембраны и передает электроны в дыхательную цепь на. КоQН₂ образующийся в результате этих реакций, окисляется комплексом III. КоQ становится, таким образом, своеобразным коллектором всех электронов, поступающих в митохондрию из разных субстратов.

 

 

КОМПЛЕКС III – УБИХИНОН-ЦИТОХРОМ С -ОКСИДОРЕДУКТАЗА (или комплекс bc, или QH₂-дегидрогеназа)

Комплекс III представляет собой олиомерный белок с большой молекулярной массой; это димер, состоящий из 2-х идентичных мономеров, каждый из которых включает 11 субъединиц.

Структура мономера. Функциональное ядро состоит из 3 субъединиц:

1) цитохром b с 2-мя геммами (b_L и b_H);

2) FeS-белок с двумя центрами (2Fe-2S);

3) цитохром c ₁ c (содержат гем).

Цитохромы различаются по структуре полипептидных цепей. Рабочей частью всех цитохромов является гем, содержащий ион Fe³⁺, который может принимать электрон и менять свою валентность: + е^- → Fe ²⁺.

Гемы цитохрома b имеют различное сродство к электронам из-за различной структуры полипептдной цепи, которая их окружает. Гем b_L локализован возле цитозольной стороны внутренней мембраны митохондрий, имеет низкое сродство к электрону по сравнению с гемом b_H, который находится в мембране со стороны матрикса.

Функциональная единица. Цитохром c ₁ и FeS-белок защищены от Р-стороны (внешняя сторона внутренней мембраны) и взаимодействуют с цитохром c (не является частью функционального комплекса) в межмембранном пространстве. Комплекс имеет два различных центра для связывания убихинона – Q_N и Q_P, которые являются сайтами действия ингибиторов окислительного фосфорилирования (действие дыхательных ядов).

Взаимодействие между мономерами формирует два кармана, каждый из которых содержит Q_P сайт от одного мономера и Q_N сайт от другого мономера.

Суммарная реакция процессов, протекающих при участии комплекса III выглядит следующим образом:

                                                     _2е^-      

КоQH₂ + 2Н⁺+ 2 цх c (окисл., Fe³⁺) → 4Н⁺ + 2 цх c (восст, Fe²⁺) + КоQ

 

Т.о., комплекс III забирает электроны у КоQН₂ и передает их цитохрому c. Поскольку цитохромы не способны связывать протоны, то 4Н⁺ переносятся комплексом в межмембранное пространство. Если перенос 4Н⁺ комплексом I остается до сих пор не исследованным, то перенос протонов комплексом III хорошо изучен. Данный перенос объясняет так называемый Q -цикл. При этом нужно помнить, что во внутренней мембране митохондрий существует фонд КоQ, поскольку другое название этой молекулы «вездесущий хинон», и он в восстановленной форме может располагаться в разных местах мембраны – как на стороне обращенной к матриксу, так и на стороне, обращенной в межмембранное пространство.

Q-цикл состоит из 2-х частей. Участвуют 2 молекулы восстановленного КоQ. Вначале одна молекула КоQH₂ передает один электрон при участии FeS-белка и цитохрома c _, а второй электрон - на молекулу КоQ, находящуюся на матриксной половине мембраны. Посредниками этой передачи являются цитохромы b. Принимающая электрон молекула КоQ переходит в форму семихинона, а два протона донорской молекулы кофермента переходят в межмембранное пространство.

Молекула второго участника Q-цикла полностью повторяет шаги первой молекулы, но один из электронов передает на семихиноновую форму КоQ, полученную в первой половине цикла, последний полностью восстанавливается и, забирая два протона из матрикса (2Н⁺), вливается в общий мембранный фонд КоQН₂. Таким образом, электроны перенесены на цитохром c _, а 4Н⁺ (два – от КоQ и два – из матрикса) – в межмембранное пространство, присоединяясь к протонам, перенесенным туда комплексом I.

Получив электрон, цитохром c _, утем простой диффузии переносит его на IV комплекс (цитохром- с -оксидазу).

Таким образом, механизм переноса электронов в III комплексе достаточно сложен.

1 стадия. Убихинол переносит один из двух электронов на FeS-центр редуктазы. Этот электрон затем переносится на цитохромы с₁ и с, который забирает электрон от комплекса. Этот одноэлектронный перенос превращает убихинол (QН₂) в анион семихинона (Q^•-). Далее, с семихинона электрон переносится к b_L  и превращается в Q. Гем цх b_L  восстанавливает цх b _Н, который затем восстанавливает прочно связанный КоQ возле цитозольной стороны мембраны и и превращает его в (Q^•-). На этой стадии только один из электронов переносится на цх с.

2 стадия. Затем вторая молекула КоQН₂ взаимодействует с комплексом анаогично описанному выше механизму. Один из электронов переносится к FeS-кластеру (центру) и на и с. Второй электрон переносится на цх b_L, цх b _Н, и восстанавливает Q^•- (Q-цикл). 

Таким образом, в результате полного цикла две молекулы Ко Q Н₂ окисляются с образованием двух молекул Q и одна молекула восстанавливается до Ко Q Н₂. Значение такого механизма заключается в переносе 2-х электронов от одной молекулы Ко Q Н₂ к двум молекулам цх с.

На наружной стороне внутренней мембраны 2 молекулы КоQН₂ окисляются в КоQ, высвобождая 4 Н⁺ в межмембранное пространство. Каждая молекула КоQН₂ отдает один электрон (через FeS-центр) к цитохрому с₁ и один электрон (через цх b) к молекуле КоQ на матричной стороне мембраны, восстанавливая его в две стадии до КоQН₂. В процессе восстановления используется 2Н⁺ из матрикса.

 

Суммарное уравнение восстановления реакций Q-цикла:

 

КоQН₂ + 2 цх с₁ (окисл) + 2Н⁺ (из матрикса) → КоQ + 2 цх с₁ (восст) + 4Н⁺ (в межмембранное пространство)

 

Q-цикл обеспечивает связь между переносчиком 2-х электронов убихиноном и одноэлектронными переносчиками цитохромами (b, c ₁ и c) и объясняет выталкивание 4-х протонов в межмембранное пространство на каждую пару электронов, транспортируемых через комплекс к цх с.. так происходит окисление КоQ Н₂ до Ко Q и восстановление 2-х молекул цх с.

Цитохром с является растворимым белком межмембранного пространства. После принятия электрона от комплекса III, цх с движется к комплексу IV и отдает электроны атому меди этого комплекса.

 

КОМПЛЕКС IV – ЦИТОХРОМ С -ОКСИДАЗА (или комплекс bc, или QH₂-дегидрогеназа)

Комплекс назван оксидазой из-за способности непосредственно взаимодействовать с кислородом. Это крупный трансмембранный комплекс, с молекулярной массой около 200 кДа, состоящий из 6-13 субъединиц, некоторые из которых кодируются митохондриальной ДНК. В состав IV комплекса входят два хромопротеина – цитохром a и цитохром a ₃, два атома меди (Cu_A и Cu_В), связанные с белковыми частями цитохромов таким образом, что они снабжены пространственно с атомами железа порфиринов и способны обмениваться с ними электронами и восстанавливаются (Cu²⁺ ↔ Cu¹⁺).

Электроны передаются на цх с → Cu_A → Fe гема цх а → Fe гема цх а₃ → Cu_В. Гем цх а₃ вместе с атомами меди Cu_В образует «бинуклеарный центр», связывается кислород. Кислород остается связанным между планарной структурой гемма цх а₃ и Cu_В до полного восстановления. Это препятствует образованию свободных радикалов.

Для каждых 4-х электронов, проходящих через комплекс, фермент использует 4Н⁺ из матрикса, превращая кислород в Н₂О. Энергия восстановительной реакции используется для выталкивания в ММП: на каждый один транспортируемый электрон в ММП выталкивается 1Н⁺.

Следовательно, цитохром- с -оксидаза катализирует одноэлектронное окисление 4-х восстановленных молекул цитохрома с и при этом одновременно осуществляет полное (четырехэлектронное) восстановление молекулы кислорода:

4 цх с (восст) + 8Н⁺(из матрикса) + О₂ → 4 цх с (окисл) + 4Н⁺ (в ММП) + 2Н₂О

Т.о., в результате последовательного переноса электронов всеми комплексами дыхательной цепи митохондрии образуется вода (одна молекула на каждые два переносимых электрона), и кроме того, энергия, высвобождаемая в реакциях переноса электронов, используется для переноса протонов в ММП.