Окислительное фосфорилирование и микросомальное окисление

Развитие представлений о биологическом
окислении
Биологическое окисление представляет собой совокупность реакций окисления, протекающих во всех живых
клетках. Основной функцией данного процесса является обеспечение организма энергией в доступной для
использования форме (прежде всего в форме АТФ).
Принципиальной особенностью биологического окисления, или тканевого дыхания, является то, что оно
протекает постепенно, через многочисленные промежуточные ферментативные стадии, т. е. происходит
многократная передача протонов и электронов или только электронов от одного соединения-донора к
другому-акцептору; при этом протоны транспортируются лишь частью промежуточных переносчиков. У
аэробов конечным акцептором электронов и протонов служит кислород.
ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ
Изучение процессов окисления в организме было начато в XVIII веке Лавуазье. Он обратил внимание на
наличие известного сходства между процессами горения органических веществ вне организма и дыхания
животных. Лавуазье считал, что сущность процесса дыхания состоит в соединении кислорода вдыхаемого
воздуха с углеродом и водородом органических веществ внутри тела. После работ Лавуазье в науке в
течение долгого времени господствовало мнение о тождестве явлений горения и медленного окисления
питательных веществ в организме. Вместе с тем было ясно, что биологическое окисление протекает при
весьма необычных условиях: при низкой температуре (температура тела), без появления пламени (как это
бывает при горении) и, наконец, в присутствии воды, содержание которой обычно достигает в тканях 75-80%,
от сырой массы.
Причину столь своеобразного течения окислительных процессов в живых организмах ученые вначале
пытались объяснить "активацией" кислорода в клетках организма. Одна из первых теорий биологического
окисления, связанных с "активацией" кислорода, была развита А. Н. Бахом, который считал, что "активация"
молекулярного кислорода происходит в результате разрыва одной его связи и присоединения к органическим
веществам - оксигеназам (обозначим их буквой А), способным к аутооксидации:
Образующиеся высокомолекулярные перекиси отдают активированный кислород при участии ферментов
(пероксидаз) субстрату.
Таким образом, по мнению А. Н. Баха, путь использования кислорода в клетках лежит через образование
перекисей, поэтому данная теория получила название перекисной теории окисления. Однако истинный
механизм главного пути окисления различных субстратов дыхания оказался иным.
Важнейшая заслуга в развитии учения о биологическом окислении принадлежит другому русскому ученому ботанику и биохимику В. И. Палладину.
Основные положения о механизме биологического окисления В. И. Палладии пояснил на примере окисления
глюкозы:
Суммируя эти два уравнения, получим:
С6H12О6 + 602-------> 6СО2 + 6Н20
Здесь R - промежуточные переносчики водорода (пигменты или хромогены, по В. И. Палладину). Исходя из
приведенных выше уравнений, следует:
 а) первая фаза тканевого дыхания, сопровождающаяся образованием углекислого газа (СО 2), не
требует участия кислорода воздуха и осуществляется анаэробно. Кислород, входящий в состав СО 2,
это - кислород воды1 или субстрата. (1Следует отметить, что уже А. Н. Бах допускал
возможность окисления различных субстратов при тканевом дыхании гидроксилом воды. Однако
все же основное значение при биологическом окислении он придавал, как уже отмечалось,
"активации" кислорода.)
 б) важнейшую роль в осуществлении начальной анаэробной фазы дыхания играют не соединения,
активирующие кислород, а специфические дегидрогеназы, катализирующие отщепление водорода
от окисляемых субстратов;
 в)
первичным акцептором атомов водорода, отщепляемых от окисляемых субстратов
дегидрогеназами, являются особые термостабильные вещества, названные В. И. Палладиным
хромогенами. Они могут существовать как в восстановленной, так и окисленной (дегидрированной)
форме, т. е. играют роль промежуточных переносчиков водорода; (В настоящее время известно,
что в цепи биологического окисления первичными акцепторами атомов водорода (электронов)
являются не хромогены, а коферменты НАД или НАДФ и в некоторых случаях ФМН или ФАД.)
 г) поглощаемый при тканевом дыхании кислород воздуха играет лишь роль конечного акцептора
водорода. Следовательно, если восстановленная форма промежуточного акцептора вступает во
взаимодействие с кислородом воздуха, то образуется вода, и в этом случае (т. е. в аэробных
условиях) речь идет о биологическом окислении. Если же в качестве конечного акцептора водорода
фигурирует тот или иной метаболит, это - анаэробный процесс (брожение).
В дальнейшем значительный вклад в изучение биологического окисления (его локализация в клетке, связь с
другими процессами обмена веществ, механизмы ферментативных окислительно-восстановительных
реакций, аккумуляция и превращение энергии и др.) внесли Варбург, Виланд, Кейлин, Кребс, Митчелл, Грин,
Ленинджер, Чанс, Рэкер, а в СССР - В. А. Энгельгардт, В. А. Белицер, С. Е. Северин, В. П. Скулачев и др.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ
В переносе электронов от субстратов к молекулярному кислороду принимают участие: 1) пиридинзависимые
дегидрогеназы, для которых коферментами служат либо НАД, либо НАДФ; 2) флавинзависимые
дегидрогеназы (флавиновые ферменты), у которых роль простетической группы играют ФАД или ФМН; 3)
цитохромы, содержащие в качестве простетической группы железопорфириновую кольцевую систему. Среди
компонентов дыхательной цепи обнаружены также убихинон (коэнзим Q) и белки, содержащие негемовое,
или негеминовое, железо.
Пиридинзависимые дегидрогеназы
К числу пиридинзависимых дегидрогеназ относится свыше 150 ферментов, которые катализируют
восстановление НАД и НАДФ различными органическими субстратами. Структура НАД была выяснена
Эйлером и соавт. Варбургу принадлежит заслуга открытия НАДФ. НАД и НАДФ являются динуклеотидами, в
которых мононуклеотиды связаны между собой через остатки фосфорной кислоты. В состав одного из
нуклеотидов входит амид никотиновой кислоты (витамин РР), другой представляет собой адениловую
кислоту. В молекуле НАДФ имеется еще один остаток фосфорной кислоты, присоединенный к рибозе в
положении С3'.
Катализируемые пиридинзависимыми дегидрогеназами реакции можно изобразить так:
Способность НАД и НАДФ играть роль промежуточного переносчика водорода связана с наличием в их
структуре амида никотиновой кислоты. В электронно-протонной форме обратимое гидрирование дегидрирование (присоединение и отдача протонов и электронов) этих коферментов может быть
представлено с помощью следующего уравнения
При переносе двух восстановительных эквивалентов от субстрата на НАД + один из них затем присутствует в
восстановленном коферменте в виде водорода, а другой - в виде электрона. Свободный ион Н+остается в
среде. Для простоты обычно восстановленные формы НАД и НАДФ изображают символами НАДН2 и
НАДФН2.
Окисленные и восстановленные пиридиннуклеотиды обладают характерными спектрами поглощения в УФобласти. В окисленной форме НАД (НАДФ) имеет одну узкую полосу поглощения с максимумом при 260 нм,
зависящую от наличия аденина в его структуре. В восстановленной форме (НАДН2) поглощение света в этой
зоне понижается и появляется вторая широкая полоса поглощения с максимумом при 340 нм. Вторая полоса
обусловлена исчезновением одной двойной связи в никотинамидном комплексе кофермента при его
восстановлении. Это свойство данных коферментов позволяет использовать спектрофотометрические
методы анализа для быстрого количественного определения ряда субстратов - доноров водорода, а также
для исследования активности НАДФ-зависимых дегидрогеназ.
В клетках НАД-зависимые дегидрогеназы преимущественно участвуют в процессах, связанных с переносом
электронов от органических субстратов к кислороду. В свою очередь НАДФ-зависимые дегидрогеназы играют
существенную роль в реакциях биосинтеза (например, высших жирных кислот, сте-ринов и др.). В
соответствии с этим коферменты НАД и НАДФ различаются по своей внутриклеточной локализации: НАД
концентрируется главным образом в митохондриях, а бoльшая часть НАДФ находится в цитоплазме клеток.
Флавиновые ферменты
Следующим акцептором атомов водорода является группа флавиновых ферментов, которые осуществляют
перенос водородов (протонов и электронов) от восстановленных НАД или НАДФ:
В некоторых случаях (например, при окислении сукцината или жирных кислот) флавиновые ферменты могут
играть роль первичных дегидрогеназ, т. е. прямо, без участия НАД- или НАДФ-зависимых дегидрогеназ,
принимать электроны и протоны от окисляемых субстратов.
Насчитывается около 30 флавиновых ферментов. Это сложные белки, простетической группой которых, как
уже отмечалось, являются либо ФМН, либо ФАД. ФМН и ФАД очень прочно, в отличие от коферментов НАД и
НАДФ, присоединены к ферменту (точнее, к апоферменту) и не отщепляются от него ни на одной из стадий
каталитического цикла.
Флавиновые дегидрогеназы, входящие в систему дыхательных катализаторов животных клеток, обычно
содержат в качестве простетической группы не ФМН, а ФАД. Впервые ФМН и ФАД были выделены Варбургом
в середине 30-х годов XX столетия. В это же время Куном был идентифицирован витамин B2(рибофлавин),
который входит в структуру ФАД и ФМН.
Окисленные формы ФМН и ФАД обладают характерным спектром поглощения с максимумом при 450 нм; в
окисленном состоянии флавиновые ферменты окрашены в красный, коричневый или зеленый цвет. При
восстановлении ФАД и ФМН полоса 450 нм в спектре поглощения исчезает. Активной частью молекулы ФАД
или ФМН является изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина, к атомам азота которого могут присоединяться
два атома водорода, т. е. два электрона и два протона при соответствующей внутримолекулярной
перегруппировке двойных связей.
Установлено, что многие из флавиновых дегидрогеназ являются сложными олигомерными образованиями,
которые состоят из нескольких белковых субъединиц и содержат, помимо флавиннуклеотидов (ФАД или
ФМН), также атомы металлов - чаще всего негемовое (негеминовое) железо. Это так называемые
металлофлавопротеиды. По-видимому, наличие атомов металла (Fe, Мn, Сu), способных легко изменять
свою валентность, присоединяя или теряя электроны, придает металло-флавопротеидам своеобразный
характер, сближая их с типичными электронотранспортазами - цитохромами.
Кофермент Q (убихинон)
Следующим компонентом дыхательной цепи является кофермент Q (KoQ), или убихинон. Этот кофермент
впервые
был
описан
Мортоном,
который
показал,
что
данное
соединение
имеет
повсеместное
распространение в клетках, и назвал его убихиноном. Позже было установлено, что убихинон, подобно НАД и
ФАД, может играть роль промежуточного переносчика водородных атомов, т. е. электронов и протонов.
KoQ является производным бензохинона с длинной боковой цепью, которая в большинстве тканей
млекопитающих состоит из 10 изопреноидных единиц (KoQ10).
Считают, что восстановленная форма флавиновых ферментов в цепи дыхательных катализаторов передает
атомы водорода (протоны и электроны) KoQ. Как всякий хинон, KoQ может существовать как в окисленной,
так и восстановленной форме:
Цитохромы
Дальнейший перенос электронов1 (1Принято считать, что цитохромы переносят только электроны.) от
KoQ (или от восстановленной формы флавинового фермента) на кислород осуществляет система
цитохромов. Данная система состоит из ряда гемсодержащих белков (гемопротеидов), открытых в 1886 г.
Мак-Мунном. Однако роль этих гемопротеидов в дыхании клеток была выяснена лишь в 1925 г. Кейлином. В
процессе тканевого дыхания наиболее важную роль играют цитохромы b, c 1, с, аа3. Все они имеют
простетическую геминовую группу, близкую к тему гемоглобина (простетическая группа цитохрома b, как
считают, идентична гему).
Приводим структуру простетических групп некоторых цитохромов:
Цитохромы отличаются друг от друга не только своими простетическими группами, но и белковыми
компонентами. В ходе каталитического процесса валентность содержащегося в цитохромах железа обратимо
изменяется (Fe2+ <--> Fe3+).
Все цитохромы, особенно в восстановленной форме, имеют характерные спектры поглощения. Величины
окислительно-восстановительного потенциала у разных цитохромов также неодинаковы (табл. 24). Например,
для цитохрома "с" окислительно-восстановительный потенциал составляет +0,25 В, а для цитохрома "а" +0,29
В. Система 1/2O2/H2O имеет потенциал + 0,82 В. Таким образом, было выяснено, что звено цитохромов
располагается в цепи окисления между убихиноном и кислородом; при этом цитохромы в цепь дыхательных
катализаторов включаются в определенной последовательности:
цит.b --> цит.c1 --> цит.c --> цит.аа3
Цитохромы b, c1 и с выполняют функцию промежуточных переносчиков электронов, а цитохром
аа3 (цитохромоксидаза)
является
терминальным
дыхательным
ферментом,
непосредственно
взаимодействующим с кислородом. Окисленная форма цитохромоксидазы (Fe 3+) принимает электроны от
восстановленного цитохрома с, переходя в восстановленную форму (Fe 2+), которая затем вновь окисляется в
Fe3+-форму молекулярным кислородом. Образовавшийся "активный" кислород присоединяет два протона из
окружающей среды, в результате чего и образуется молекула воды.
В последнее время установлено, что цитохромоксидаза состоит из 6 субъединиц; каждая из них содержит
геминовую группу и атом меди. По-видимому, две субъединицы из шести составляют цитохром а, а
остальные четыре относятся к цитохрому а3.
Обычно считается, что на участке между НАД и KoQ осуществляется двухэлектронный перенос, а на участке
между цитохромом b и кислородом - одноэлектронный (следовательно, на каждом этапе дыхательной цени
должно участвовать по два цитохрома); тем не менее нельзя исключить и другие возможности. Учитывая, что
любой компонент дыхательной цепи может восстанавливать редокс-системы только с более высоким
потенциалом, а окислять - с более низким (см. табл. 24), то в целом цепь дыхательных катализаторов может
быть представлена следующим образом:
Таблица 24. Окислительно-восстановительные потенциалы некоторых систем дыхательной цепи (в
изолированном состоянии, pH 7,0)
Восстановленная форма
Окисленная форма
Е'0, В
НАДН2
НАДН
-0,32
ФАДН2-белок
ФАД-белок
-0,05
KoQ-Н2
KoQ
+0,10
Цитохром b (Fe2+)
Цитохром b (Fe3+)
+0,12
Цитохром с1 (Fe2+)
Цитохром с1 (Fe3+)
+0,21
Цитохром с (Fe2+)
Цитохром с (Fe3+)
+0,25
Цитохром a (Fe2+)
Цитохром a (Fe3+)
+0,29
Н2О
1/2 O2
+0,82
Как уже отмечалось, иногда цепь биологического окисления может быть укорочена. Имеются флавиновые
ферменты, например сукцинатдегидрогеназа, которые способны отнимать водород непосредственно от
субстрата. В ряде случаев цепь дыхательного катализатора может иметь еще более простое строение. Так,
например, оксидазы L- и D-аминокислот (за исключением глутаматдегидрогеназы), ксантиноксидаза и
некоторые другие ферменты катализируют окисление соответствующих субстратов без участия как НАД или
НАДФ, так и цитохромов. Эти оксидазы по своей химической природе являются флавопротеидами.
Все ферменты тканевого дыхания - компоненты цепи дыхательных катализаторов, как установлено, связаны
главным образом с митохондриями, точнее с их внутренними мембранами. Никотинамиддинуклеотидные
коферменты и некоторые ферменты цикла трикарбоновых кислот "вмонтированы" в белковый слой
мембраны, металлофлавопрогеиды, убихинон и цитохромы связаны с липидными ее структурами.
Окислительное фосфорилирование и
микросомальное окисление
Предыдущая: Развитие представлений о биологическом окислении
Митохондрии содержатся в цитоплазме клетки и представляют собой микроскопические палочковидные или
иной формы образования, количество которых в одной клетке составляет сотни или тысячи (например, в
одной клетке печени крысы содержится около 1000 митохондрий). Для одного и того же типа клеток число
митохондрий более или менее постоянно. Однако следует помнить, что количество митохондрий может
меняться в зависимости от стадии развития клетки и ее функциональной активности.
Что же представляют собой митохондрии? Внутреннее пространство митохондрий окружено двумя
непрерывными мембранами (рис. 75), причем наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует
многочисленные складки, или кристы. Внутри-митохондриальное пространство, ограниченное внутренней
мембраной, заполнено так называемым матриксом, который примерно на 50% состоит из белка и имеет
очень тонкую структуру. Размер митохондрий чаще равен 2-3 мкм в длину и около 1 мкм в ширину, однако
удлиненную форму митохондрий не следует считать универсальной. В некоторых тканях, например в
поперечнополосатых мышцах, митохондрии иногда принимают самые причудливые очертания. В
митохондриях сосредоточено большое количество ферментов.
Наружная мембрана не содержит ни одного из компонентов цепи дыхательных катализаторов. С наружной
мембраной связаны ферменты, участвующие в удлинении молекулы насыщенных жирных кислот, имеющих
от 12 до 16 атомов углерода. Кроме того, в наружной мембране имеются кинуренингидроксилаза,
моноаминоксидаза и некоторые другие ферменты. Моноаминоксидаза может служить маркерным ферментом
для обнаружения наружной мембраны митохондрий. Следует заметить, что ряд ферментов наружной
мембраны митохондрий напоминает ферменты мембран эндоплазматической сети. Исходя из ферментного
набора наружной мембраны, пока трудно ответить на вопрос, в чем состоит ее назначение. Возможно, что
наружная мембрана играет роль перегородки, отделяющей внутреннюю, рабочую, часть митохондрии от
всего остального пространства клетки.
В межмембранном пространстве митохондрий обнаруживается активность аденилаткиназы (миокиназы) и
нуклеозиддифосфаткиназы. Как уже отмечалось, с внутренней мембраной митохондрий связаны ферменты
дыхательной цепи. Кроме того, она обладает АТФ-азной активностью, связанной с механизмом
окислительного фосфорилирования, содержит сукцинатдегидрогеназу, β-гидроксибутиратдегидрогеназу,
карнитинацил-трансферазу
и
ряд
других
ферментов.
Важно
отметить,
что
расположение
сукцинатдегидрогеназы в непосредственной близости от других компонентов дыхательной цепи объясняет
тот факт, что сукцинат окисляется в митохондриях намного быстрее, чем другие субстраты цикла
трикарбоновых кислот. Маркерным ферментом для идентификации внутренней мембраны митохондрий
служит цитохромоксидаза.
Таблица 25. Редокс-потенциалы митохондриальных переносчиков электронов (в митохондриях, pH 7,2)
Переносчик
Е'0, В
Δ Е'0, В
НАДН/НАД+
-0,32
Флавопротеид
-0,045
0,275
Цитохром с
+0,235
0,28
Цитохром a
+0,385
0,15
O2 (1 атм)
+0,815
0,43
Примечание. Δ Е'0 необходимое для фосфорилировання АДФ в АТФ, составляет около 0,20 В, что
соответствует ~38 кДж.
Матрикс содержит ряд ферментов цикла Кребса (цитрат-синтаза, изоцитратдегидрогеназа, фумараза,
малатдегидрогеназа, аконитаза), ферменты, участвующие в β-окислении жирных кислот и синтезе мочевины,
аспартатаминотрансферазу, глутаматдегидрогеназу, фосфоенолпируваткарбоксикиназу и др. Определение
глутаматдегидрогеназы и малатдегидрогеназы часто используют для идентификации матрикса митохондрий.
Чрезвычайно важной функцией цепи дыхательных катализаторов, связанных с внутренней мембраной
митохондрий, наряду с переброской электронов от субстратов дыхания на кислород, является аккумуляция
части освобождающейся энергии (около 50%) в фосфатных связях высокоэргических (или макроэргических)
соединений (главным образом АТФ).
Процесс сопряжения тканевого дыхания и фосфорилирования получил название окислительного
фосфорилирования. Впервые в начале 30-х годов В. А. Энгельгардт высказал соображение о наличии
сопряжения между фосфорилированием АДФ и аэробным дыханием. Позже, в 1940 г., В. А. Белицер и Е. Т.
Цыбакова показали, что синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 осуществляется в митохондриях при миграции
электронов от субстрата к кислороду через цепь дыхательных катализаторов. При этом указанные авторы
обнаружили, что отношение P/О, т. е. число молекул неорганического фосфата, перешедших в органическую
форму (АТФ), в расчете на каждый поглощенный атом кислорода близко к 3.
Установлено, что уменьшение свободной энергии системы при переносе пары электронных эквивалентов от
НАДН2 к молекулярному кислороду составляет 220 кДж (52,7 ккал). В свою очередь величина стандартной
свободной энергии образования АТФ из АДФ и Н3РО4 (АДФ + Н3РО4 --> АТФ + Н2О) находится в пределах 30,2
кДж, или +7,3 ккал (по-видимому, в условиях in vivo эта величина около 34,5 кДж). Следовательно,
уменьшение свободной энергии при переносе одной пары электронов от НАДН 2 к кислороду способно
обеспечить синтез нескольких молекул АТФ из АДФ и фосфата. В табл. 25 приведены некоторые данные об
энергетических взаимоотношениях в пределах отдельных фрагментов дыхательной цепи.
Как видно из табл. 25, на трех участках дыхательной цепи в митохондриях in situ выделяется достаточно
энергии для образования одной молекулы АТФ из АДФ и фосфата.
На основании термодинамических данных была предсказана локализация трех пунктов фосфорилировання в
дыхательной цепи (рис. 76).
Опыты с применением ингибиторов (ротенон, амитал, антимицин А, цианид) ферментов дыхательной цепи
подтвердили эти предположения.
Известно также, что интенсивность дыхания управляется отношением АТФ/АДФ. Чем меньше это отношение,
тем интенсивнее идет дыхание, обеспечивая выработку АТФ. Изменение скорости дыхания с изменением
концентрации АДФ носит название дыхательного контроля.
ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ
Окончательного ответа на вопрос о механизме сопряжения важнейших биоэнергетических процессов в
митохондриях - дыхания и фосфорилирования - в настоящее время пока нет. Выдвинуты и обсуждаются три
гипотезы: химическая, механо-химическая и химиоосмотическая.
Химическая гипотеза - наиболее ранняя гипотеза окислительного фосфорилирования (Липман; Слейтер и
др.). Сущность ее состоит в предположении, что энергия, выделяющаяся при переносе электронов по
дыхательной цепи, сначала используется для образования богатых энергией гийотетических соединений, а
затем передается для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. В схематической форме
последовательность реакций можно представить следующим образом:
где А и В - переносчики электронов; X - гипотетический посредник в процессе сопряжения; Фн неорганический фосфат.
Однако, несмотря на многочисленные попытки, пока не удалось выделить, а следовательно, и
охарактеризовать эти неизвестные посредники.
Механохимическая, или конформационная, гипотеза окислительного фосфорилирования Бойера (1964)
основана на предположении, что взаимосвязь окисления и фосфорилирования обусловлена посредством
конформационных изменений ферментов сопряжения. Высказываются соображения, что энергия окисления
затрачивается на создание напряженной конформации фермента ("сокращение" фермента). Последующее
возвращение в исходную конформацию ("расслабление") сопровождается использованием накопленной
энергии для синтеза высокоэнергетического соединения, например тиоэфира, образованного в результате
реакции между сульфгидрильной и карбоксильной группами ферментного белка. Затем происходит перенос
энергии на АДФ. Однако следует заметить, что прямых доказательств справедливости данной гипотезы тоже
нет, так как нельзя считать убедительными ссылки на наблюдения, касающиеся конформационных
изменений дыхательных ферментов при переносе электронов. Такие изменения сопутствуют "работе" очень
многих ферментов и поэтому не могут быть отнесены к специфическим свойствам ферментов сопряжения.
Химиоосмотическая гипотеза, предложенная в 1961 г. Митчеллом, приобретает в последние годы все больше
сторонников. Следует отметить, что экспериментальное обоснование и дальнейшее развитие этой гипотезы
во многом обязаны исследованиям В. П. Скулачева (1972) и др. Суть этой гипотезы состоит в предположении,
что дыхание и фосфорилирование связаны между собой через электрохимический потенциал ионов
водорода на митохондриальной мембране. Митохондриальная мембрана непроницаема для ионов Н + и ОН-.
В процессе переноса электронов вдоль дыхательной цепи на наружной поверхности мембраны создается
градиент концентрации ионов водорода1. (1По-видимому, определенные компоненты дыхательной цепи,
соответствующим образом расположенные в плоскости мембраны, присоединяя электрон, могут
захватывать также ион Н+ из матрикса и соответственно, отдавая электрон, освобождать ион
Н+ только в водное пространство снаружи мембраны.) Предполагается, что на каждую пару электронов,
переносимую вдоль дыхательной цепи от НАДН2к кислороду, приходятся три пары ионов Н+, извлекаемых из
внутреннего матрикса и передаваемых при помощи компонентов дыхательной цепи в наружную среду (рис.
77). При этом наружная поверхность мембраны приобретает положительный заряд, а внутренняя отрицательный (высокое содержание ионов ОН-).
Накопление ионов Н+ и ОН- на противоположных сторонах мембраны может вызвать обратную реакцию
фермента АТФ-азы (АДФ + Фн --> АТФ + Н2О), локализованного во внутренней мембране митохондрий. Эта
реакция может протекать с высокой скоростью только при условии, если образующаяся вода будет быстро и
полностью удаляться. Сторонники химиоосмотической гипотезы считают, что молекула воды отделяется от
АДФ и Фн в виде ионов Н+ и ОН-. В свою очередь наличие градиента концентрации ионов Н+ снаружи
мембраны обусловливает "вытягивание" ионоа ОН- во внешнюю среду с образованием воды, а высокая
концентрация ионов ОН- внутри митохондрии способствует "вытягиванию" ионов Н+, образующихся в
обратной реакции, во внутреннее пространство митохондрии, и опять-таки с образованием воды.
Таким образом, можно предполагать, что тканевое дыхание заряжает митохондриальную мембрану, а
окислительное фосфорилирование разряжает ее, используя энергию мембранного потенциала для синтеза
АТФ. В целом гипотеза Митчелла, по-видимому, является наиболее обоснованной. Однако нетрудно видеть,
что в современной теории биологического окисления и сопряженного с ним фосфорилировання имеется еще
ряд пробелов и вопросов, требующих дальнейшего разрешения.
Помимо дыхания, связанного с фосфорилированием, протекающего в митохондриях, существует дыхание, не
связанное с накоплением макроэргов. Это так называемое свободное, или нефосфорилирующее, окисление.
Такой вид биологического окисления также связан с митохондриями, но освобождающаяся при этом энергия
рассеивается в виде тепла. Следует помнить, что существует ряд соединений, способных разрывать
сопряженность между дыханием и фосфорилированием. В частности, к таким разобщающим агентам
относятся динитрофенол, дикумарин, тироксин и др.
МИКРОСОМАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ
Микросомальное окисление осуществляется ферментными системами, локализованными преимущественно в
микросомной фракции таких органов, как печень и надпочечники. В отличие от митохондриального окисления,
где ведущую роль, как было показано выше, играют реакции дегидрирования, а кислород является конечным
акцептором электронов и используется лишь для образования воды, в процессах микросомального окисления
активированный кислород непосредственно внедряется в окисляемое вещество. При этом функциональная
роль митохондриального и микросомального окисления в клетке различна. Митохондриальное окисление механизм использования кислорода в биоэнергетических процессах. Микросомальное окисление - механизм
использования кислорода с "пластическими" целями.
Ферментные системы, локализованные в микросомной фракции и способные использовать молекулярный
кислород для окисления специфических органических соединений, делятся на оксигеназы, присоединяющие
оба атома кислорода (А + O2 --> АO2), и гидроксилазы, присоединяющие к субстрату только один из двух
атомов O2 (А + О2 --> АОН + [O]). Второй атом кислорода используется обычно на окисление НАДФН 2.
Например:
Микросомы - морфологически замкнутые везикулы, в которые превращается эндоплазматический
ретикулум при гомогенизацип тканей. Следовательно, микросомную фракцию, выделяемую при
дифференциальном центрифугировании гомогенатов, образуют преимущественно мембраны
эндоплазматического
рибосомы).
ретикулума
и
некоторые
другие
субклеточные
структуры
(например,
Микросомальная цепь ферментов, осуществляющая гидроксилирование, в значительной мере изучена. Она
содержит цитохром Р-450, восстановленный СО-комплекс которого имеет максимум поглощения при длине
волны 450 нм, специфический флавопротеид, включающий ФАД, и Fe-белок, содержащий негеминовое
железо. Следует заметить, что флавопротеиды и цитохромы, которые функционируют в микросомальной
цепи окисления, резко отличаются от ферментов митохондриальной дыхательной цепи.
На рис. 78 в общей форме представлена цепь переноса электронов в микросомах, при участии которой
осуществляется гидроксилирование. Как видно из этого рисунка, имеются две точки цепи, где участвует
НАДФН2: первый раз он поставляет атом водорода и протон для образования воды, второй - отдает электрон
для восстановления цитохрома Р-450 (в переносе электрона на цитохром участвуют флавопротеид и белок,
содержащий негеминовое железо). Считается, что цитохром Р-450 выполняет двоякую функцию. Во-первых,
он связывает субстрат гидроксилирования, во-вторых, на нем происходит активация молекулярного
кислорода.
К числу эндогенных субстратов микросомального окисления следует отнести стероидные гормоны и
холестерин, а также, по-видимому, ненасыщенные жирные кислоты. В последнее время появились указания
на возможную роль реакций микросомальмого окисления в биосинтезе простагландинов. Велико значение
микросомального окисления в метаболизме лекарственных средств и ряда токсических соединений.