Что такое дыхательная цепь
Рассмотрим соединения, которые клетка неизменно изготовляет из любой пригодной для нее пищи. Оказывается, независимо от того, что составило пищевой рацион клетки — углеводы или жиры, в качестве промежуточных продуктов образуются кислоты (или их соли): молочная, пировиноградная и уксусная. Последняя получается в виде соединения с очень сложной молекулой, обозначаемой сокращенно КоА. Если пищевыми веществами были белки, то сначала происходит процесс дезаминирования (удаляется аминогруппа—отщепляется аммиак), а затем образуются кислоты: пировиноградная, глутаровая, щавелевоуксусиая, фумаровая. Разнообразное меню таким образом обезличивается — нее превращается в кислоты, содержащие группы СООН, СО и ОН.
Рис. Схема дыхательная цепь.
Молекулы кислот вовлекаются в круг реакций, называемый циклом Кребса. В результате работы цикла от молекул отщепляется водород и оксид углерода (IV), причем образуется молекула АТФ (из АДФ и фосфата). Теперь начинается ряд реакций, связанных с путешествием водорода. Водород должен постепенно дойти до кислорода и образовать воду. В процессе переноса водорода часть энергии окисления необходимо сохранить — запасти в виде химической энергии молекул АТФ.
От цикла Кребса водород попадает к НАД. гидрированная форма НАД — НАД-Па передает водород ФАД. затем коферменту — О и далее в систему цитохромон. По цитохромам движутся только электроны, ноны водорода находятся в среде и в конечном счете соединяются с ионами кислорода, которые образуются в конце цени цитохромов.
Клетка не имеет возможности непосредственно использовать разность температур для производства работы, ей приходится совершать работу за счет энергии химических связей, а потому запасание энергии окисления приобретает решающее значение.
Водород, отщепленный от кислот, сначала переходит к активной группе фермента, относящегося к группе дегидрогеназ. Его активная группа фермента — дифосфопиридиннуклеотид (НАД) выполняет работу переносчика водорода, обратимо окисляясь и восстанавливаясь в присутствии специфического ферментного белка-носителя. На молекулу НАД от субстрата переходит именно водород — два атома на каждую молекулу. Далее водород образует ионы Н+, а электроны от НАД переходят к следующему переносчику — ферментам типа флавопротеидов (ФП). Янтарная кислота (ее соли—сукцинаты) непосредственно реагирует с ФП, минуя НАД.
Флавопротеиды содержат белок и активную группу, относящуюся к изоаллоксазаиновым соединениям. Активные группы флавопротеидов также попеременно окисляются и восстанавливаются. Затем поток электронов направляется к цитохромам (предполагают, что между ФП и цитохромами действует еще промежуточный переносчик из класса хинонов — убихинон, ко-фермент Q).
Цитохромы содержат ионы железа в виде комплекса типа тема, некоторые цитохромы содержат также и медь.
Заряд ионов железа может изменяться: ион Fe2+, теряя электрон, переходит в ион Fe3+, а ион Fe3+, получая электрон, снова превращается в ион Fe2+. Таким образом эти ионы могут переносить электроны. Однако в действительности поток электронов по цитохромам течет лишь в одном направлении: от донора электронов к их акцептору — кислороду. Это происходит потому, что энергетический уровень электрона в исходном веществе выше, чем в конечном (в воде), и движение электрона по цепи цитохромов сопровождается выделением энергии.
На рисунке показана вся дыхательная цепь. Как видно, субстрат отдает электроны на одном конце цепи, там, где расположены НАД и ФП, а кислород получает их на другом конце цепи. На пути потока электронов имеются пункты, в которых энергия потока используется для получения АТФ. Есть некоторое сходство между действием дыхательной цепи и течением реки, вдоль которой построены гидростанции. В последнем случае в электрическую энергию (и частично в энергию, запасаемую в аккумуляторах станции) превращается энергия потока воды (т. е. разность потенциальных энергий воды на разных уровнях), а в первом случае используется разность энергетических уровней электронов, находящихся в исходных и конечных веществах, и энергия улавливается за счет образования АТФ — своеобразного химического аккумулятора.
Долгое время обсуждался вопрос о том, в каких местах дыхательной цепи поток электронов отдает часть своей энергии на образование молекул АТФ. В настоящее время пришли к заключению, что таких пунктов три: один из них лежит между НАД и ФП, другой — между цитохромами b и с и третий — между цитохромамп а и кислородом (или между а и а3). В бактериях, дрожжах, хлоропластах были найдены и другие цитохромы (b2, b3, b6, с3, с4, с5), различающиеся молекулярной массой и строением.
Еще более трудным оказался вопрос о механизме сопряжения окислительного процесса и процесса образования АТФ (окислительное фосфорилирование).
Несомненно, что для связывания двух реакций нужно иметь вещество, участвующее и и гон и в другой реакции. Поэтому были выдвинуты гипотезы о существовании промежуточных соединений.
Вопрос о механизме окислительного фосфорилирования и поныне еще нельзя считать решенным. В одной из теорий предполагается, что некое вещество-переносчик, реагируя с восстановленной формой НАД•Н2, образует соединение, условно обозначаемое НАД•НХ. Это вещество, в свою очередь, взаимодействует с флавопротеидом в окисленной форме и отдает ему водород. В результате между НАД и X возникает богатая энергией связь НАД~Х. Затем происходит реакция между НАД~Х и фосфатом п богатая энергией связь образуется уже между X и фосфатом, т. е. получается Ф~Х. Это соединение реагирует с АДФ и в итоге синтезируется АТФ, а X освобождается и может снова вступить в реакцию. НАД затем реагирует с субстратом и опять дает НАД•Н. Описанный механизм относится к первой точке окислительного фосфорилирования.
Цепь НАД — ФП — цитохромы извлекает наибольшую долю энергии из всего процесса окисления. Каждая пара электронов, прошедшая по этой цепи от НАД•Н2 к кислороду, может в расчете в 1 моль совершить работу, соответствующую 231 кдж/моль. 05 эффективности цепи дает представление следующий расчет: при окислении одной молекулы пировиноградной кислоты (одно из соединений, отдающих электроны в цепь) к кислороду переходит 10 электронов:
СН3СОСООН + 5О = 3СО3 + 2Н2О
и теоретически можно совершить (при р и Т постоянных) максимальную полезную работу, равную 155 кдж/моль.
В дыхательной цепи окисление протекает так, что каждая пара электронов даст три молекулы АТФ (три точки фосфорилирования, сопряженного с процессом окисления); всего, стало быть, окисление одной молекулы пировиноградной кислоты с участием пяти атомов кислорода должно сопровождаться появлением пятнадцати молекул АТФ и АДФ и Ф. Это соответствует накоплению примерно 756 кдж/моль энергии в молекулах АТФ. Отсюда для эффективности процесса находим величину 911 кдж/моль.
Дыхательная цепь, в которой поток электронов рождает заряженные энергией молекулы АТФ, есть один из наиболее важных химических узлов клетки и организма в целом.
Действие различных ядов часто сводится к нарушению работы той цепи; так, например, оксид углерода (II) и синильная кислота действуют на участок цепи между цитохромом и кислородом и прекращают нормальное функционирование цепи, арсениты, а также соли кадмия подавляют фосфорилирование в последней точке цепи, ряд веществ разобщают процессы окисления и фосфорилирования (нитрофенолы, грамицидин, арсенат и др.). При тяжелом заболевании — миастении—в организме, по-видимому, происходит именно разобщение, т. е. окисление веществ продолжается нормально, в то время как выделяющаяся энергия уже не запасается в молекулах АТФ и, следовательно, мышечная система организма лишается возможности производить работу.
Промежуточные продукты, осуществляющие образование молекул АТФ, могут принимать участие и в других «химических производствах» — в подготовке молекул жирных кислот к окислению, в синтезе некоторых типов белков, в переносе ионов (катионов и анионов) против градиента концентрации (от слабых растворов к концентрированным), т. е. в «активном переносе» и в других формах химической деятельности клетки.
Статья на тему Дыхательная цепь