Все биохимические реакции в клетках любого организма протекают с расходованием энергии. Дыхательная цепь - это последовательность специфических структур, которые расположены на внутренней мембране митохондрий и служат для образования АТФ. Аденозинтрифосфат является универсальным источником энергии и способен аккумулировать в себе от 80 до 120 кДж.

Дыхательная цепь электронов - что это такое?

Электроны и протоны играют важную роль в образовании энергии. Они создают разность потенциалов на противоположных сторонах мембраны митохондрий, что порождает направленное движение частиц - ток. Дыхательная цепь (она же ЭТЦ, цепь переноса электронов) является посредником при переносе положительно заряженных частиц в межмембранное пространство и отрицательно заряженных частиц в толще внутренней мембраны митохондрий.

Главная роль в образовании энергии принадлежит АТФ-синтазе. Этот сложный комплекс видоизменяет энергию направленного движения протонов в энергию биохимических связей. К слову, практически идентичный комплекс находится и в хлоропластах растений.

Комплексы и ферменты дыхательной цепи

Перенос электронов сопровождается биохимическими реакциями в присутствии ферментативного аппарата. Эти многочисленные копии которых образуют большие комплексные структуры, служат посредниками при переносе электронов.

Комплексы дыхательной цепи - это центральные компоненты транспортировки заряженных частиц. Всего во внутренней мембране митохондрий находятся 4 таких образования, а также АТФ-синтаза. Все эти структуры объединены общей целью - перенос электронов по ЭТЦ, перенос протонов водорода в межмембранное пространство и, как следствие,

Комплекс представляет собой скопление белковых молекул, среди которых встречаются ферменты, структурные и сигнальные протеины. Каждый из 4 комплексов выполняет свою, только свойственную ему, функцию. Давайте разберемся, для каких задач в ЭТЦ присутствуют эти структуры.

I комплекс

В переносе электронов в толще мембраны митохондрий главную роль выполняет дыхательная цепь. Реакции отщепления протонов водорода и сопутствующих им электронов - одна из центральных реакций ЭТЦ. Первый комплекс транспортной цепи принимает на себя молекулы НАД*Н+ (у животных) или НАДФ*Н+ (у растений) с последующим отщеплением четырех протонов водорода. Собственно, из-за этой биохимической реакции I комплекс также называется НАДН - дегидрогеназой (по названию центрального фермента).

В состав входят железосерные белки 3 видов, а также флавинмононуклеотиды (ФМН).

II комплекс

Работа данного комплекса не сопряжена с переносом протонов водорода в межмембранное пространство. Основная функция этой структуры заключается в поставке дополнительных электронов в электрон-транспортную цепь посредством окисления сукцината. Центральный фермент комплекса - сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза, который катализирует отщепление электронов от янтарной кислоты и перенос на липофильный убихинон.

Поставщиком протонов водорода и электронов ко второму комплексу также является ФАД*Н 2 . Однако КПД флавинадениндинуклеотида меньше, чем у его аналогов - НАД* Н или НАДФ*Н.

В состав II комплекса входят три вида железосерных белков и центральный фермент сукцинат-оксидоредуктаза.

III комплекс

Следующий по счету компонент, ЭТЦ, состоит из цитохромов b 556 , b 560 и c 1 , а также железосерного белка Риске. Работа третьего комплекса сопряжена с переносом двух протонов водорода в межмембранное пространство, и электронов от липофильного убихинона на цитохром С.

Особенностью белка Риске является то, что он растворяется в жире. Другие протеины этой группы, которые встречались в составе комплексов дыхательной цепи, водорастворимы. Эта особенность влияет на положение белковых молекул в толще внутренней мембраны митохондрий.

Третий комплекс функционирует как убихинон-цитохром с-оксидоредуктаза.

IV комплекс

Он же цитохром-оксидантный комплекс, является конечным пунктом в ЭТЦ. Его работа заключается в переносе электрона с цитохрома-с на атомы кислорода. Впоследствии отрицательно заряженные атомы О будут вступать в реакцию с протонами водорода с образованием воды. Главный фермент - цитохром с-кислород-оксидоредуктаза.

В состав четвертого комплекса входят цитохромы a, a 3 и два атома меди. Центральная роль в переносе электрона к кислороду досталась цитохрому a 3 . Взаимодействие этих структур подавляется цианидом азота и угарным газом, что в глобальном смысле приводит к прекращению синтеза АТФ и гибели.

Убихинон

Убихинон - это витаминоподобное вещество, липофильное соединение, которое свободно перемещается в толще мембраны. Дыхательная цепь митохондрий не может обойтись без этой структуры, т. к. она отвечает за транспортировку электронов от комплексов I и II к комплексу III.

Убихинон является производным бензохинона. Эта структура на схемах может обозначаться буквой Q или сокращенно ЛУ (липофильный убихинон). Окисление молекулы приводит к образованию семихинона - сильного окислителя, который потенциально опасен для клетки.

АТФ-синтаза

Главная роль в образовании энергии принадлежит АТФ-синтазе. Эта грибоподобная структура использует энергию направленного движения частиц (протонов) для преобразования ее в энергию химических связей.

Основной процесс, который встречается на протяжении всей ЭТЦ, - Дыхательная цепь отвечает за перенос электронов в толще мембраны митохондрий и аккумулирование их в матриксе. Одновременно с этим комплексы I, III и IV перекачивают протоны водорода в межмембранное пространство. Разница зарядов на сторонах мембраны приводит к направленному движению протонов через АТФ-синтазу. Так Н+ попадают в матрикс, встречают электроны (которые связаны с кислородом) и образуют нейтральное для клетки вещество - воду.

АТФ-синтаза состоит из F0 и F1 субъединиц, которые вместе образуют роутер молекулы. F1 состоит из трех альфа и трех бета-субъединиц, которые вместе образуют канал. Этот канал имеет в точности такой же диаметр, какой имеют протоны водорода. При прохождении положительно заряженных частиц через АТФ-синтазу головка F 0 молекулы крутится на 360 градусов вокруг своей оси. За это время к АМФ или АДФ (аденозинмоно- и дифосфат) присоединяются фосфорные остатки с помощью в которых заключено большое количество энергии.

АТФ-синтазы встречаются в организме не только в митохондриях. У растений эти комплексы также расположены на мембране вакуолей (тонопласте), а также на тилакоидах хлоропласт.

Также в клетках животных и растений присутствуют АТФ-азы. Они имеют схожую структуру, как и у АТФ-синтаз, однако их действие направлено на отщепление фосфорных остатков с затратой энергии.

Биологический смысл дыхательной цепи

Во-первых, конечным продуктом реакций ЭТЦ является так называемая метаболическая вода (300-400 мл в сутки). Во-вторых, происходит синтез АТФ и запасание энергии в биохимических связях этой молекулы. В сутки синтезируется 40-60 кг аденозинтрифосфата и столько же используется в ферментативных реакциях клетки. Срок жизни одной молекулы АТФ составляет 1 минуту, поэтому дыхательная цепь должна работать слаженно, четко и без ошибок. В противном случае клетка погибнет.

Митохондрии считаются энергетическими станциями любой клетки. Их количество зависит от энергозатрат, которые необходимы для тех или иных функций. Например, в нейронах можно насчитать до 1000 митохондрий, которые часто образуют скопление в так называемой синаптической бляшке.

Отличия дыхательной цепи у растений и животных

У растений дополнительной «энергетической станцией» клетки является хлоропласт. На внутренней мембране этих органелл также найдены АТФ-синтазы, и это является преимуществом перед животными клетками.

Также растения могут выживать в условиях высокой концентрации угарного газа, азота и цианидов за счет цианид-устойчивого пути в ЭТЦ. Дыхательная цепь, таким образом, заканчивается на убихиноне, электроны с которого сразу переносятся на атомы кислорода. В результате синтезируется меньше АТФ, однако растение может пережить неблагоприятные условия. Животные в таких случаях при длительном воздействии погибают.

Можно сравнить КПД НАД, ФАД и цианид-устойчивого пути с помощью показателя образования АТФ при переносе 1 электрона.

• с НАД или НАДФ образуется 3 молекулы АТФ;
• с ФАД образуется 2 молекулы АТФ;
• по цианид-устойчивому пути образуется 1 молекула АТФ.

Эволюционное значение ЭТЦ

Для всех эукариотических организмов одним из основных источников энергии является дыхательная цепь. Биохимия синтеза АТФ в клетке делится на два типа: субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование. ЭТЦ используется в синтезе энергии второго типа, т. е. за счет окислительно-восстановительных реакций.

У прокариотических организмов АТФ образуется только в процессе субстратного фосфорилирования на стадии гликолиза. Шестиуглеродные сахара (преимущественно глюкоза) вовлекаются в цикл реакций, и на выходе клетка получает 2 молекулы АТФ. Этот тип синтеза энергии считается наиболее примитивным, т. к. у эукариот в процессе окислительного фосфорилирования образуется 36 молекул АТФ.

Однако это не значит, что современные растения и животные потеряли способность к субстратному фосфорилированию. Просто этот тип синтеза АТФ стал только одним из трех этапов получения энергии в клетке.

Гликолиз у эукариот проходит в цитоплазме клетки. Там находятся все необходимые ферменты, которые смогут расщепить глюкозу до двух молекул с образованием 2 молекул АТФ. Все последующие этапы проходят в матриксе митохондрий. Цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот, также протекает в митохондриях. Это замкнутая цепь реакций, в результате работы которой синтезируются НАД*Н и ФАД*Н2. Эти молекулы пойдут как расходный материал в ЭТЦ.

Это белковые комплексы и переносчики электронов, плавающие на внутренней мембране митохондрии, передающие друг другу по цепочке электроны и за счет этого вырабатывающие энергию. Дыхательных белковых комплексов четыре, и до сих пор толком неясно, как же они организованы на мембране: плавают ли независимо друг от друга или объединяются вместе, образуя так называемые суперкомплексы. Группа испанских исследователей обнаружила, что белок под названием SCAFI (supercomplex assembly factor I) специфически регулирует объединение дыхательных комплексов в суперкомплексы.

Несколько десятилетий назад, когда дыхательные белковые комплексы митохондрий были только выделены и исследованы, предполагалось, что они существуют в мембране независимо друг от друга и общаются только с помощью путешествующих между ними переносчиков электронов - убихинона и цитохрома c (рис. 1). Такое предположение получило название «жидкая модель» (fluid model). Однако постепенно появлялись свидетельства того, что дело обстоит не так просто и дыхательные комплексы, возможно, объединяются между собой в более крупные структуры - «суперкомплексы».

Например, обнаружилось, что комплекс I вообще нестабилен в отсутствие комплексов III или IV. И вот в 2000 году была высказана смелая гипотеза - ее назвали «цельная модель» (solid model), - согласно которой комплексы I, III и IV объединяются вместе в один гигантский суперкомплекс под названием респирасома (respirasome), в результате чего работают более слаженно (см. Hermann Schägger, Kathy Pfeiffer, 2000. Supercomplexes in the respiratory chains of yeast and mammalian mitochondria). Из митохондрий сердечной мышцы быка были выделены искомые респирасомы, но, как и всегда в таких тонких молекулярных исследованиях, оставалась вероятность того, что это просто артефакт неправильно подобранной методики, и комплексы сцепляются вместе не в мембране митохондрии быка, а непосредственно в пробирке исследователя. В последующие годы делались многократные попытки доказать или опровергнуть существование респирасомы, но тщетно: неоспоримых аргументов ни за респирасому, ни против нее получено не было. Респирасомы и другие суперкомплексы прекрасно обнаруживались в митохондриях с помощью некоторых способов выделения белков, но по-прежнему было неясно, факт это или артефакт.

Авторы обсуждаемой работы решили подойти к проблеме с другой стороны. Если респирасомы (и другие суперкомплексы) - это не артефакт, то они, наверное, будут состоять не только из дыхательных комплексов как таковых, но и из каких-нибудь других, вспомогательных белков. И если эти вспомогательные белки идентифицировать, а потом «поиграть» с ними - например, выключить их или включить, - то можно получить косвенные доказательства (или, наоборот, опровержения) существования суперкомплексов, а также вообще понять, при каких условиях эти комплексы образуются и зачем нужны.

Поэтому исследователи вначале выделили из митохондрий суперкомплексы и дыхательные комплексы поодиночке (это было сделано с помощью синего нативного электрофореза (см. BN-PAGE) - одного из самых щадящих способов разделения белковых смесей), а затем проанализировали белки, из которых состоят суперкомплексы и «одинокие» дыхательные комплексы.

И выяснилось, что один белок (который носил невразумительное название Cox7a2l - cytochrome c oxidase subunit VIIa polypeptide 2-like) присутствует только в суперкомплексах, содержащих дыхательный комплекс IV (то есть в респирасоме и суперкомплексе III+IV), а в одиноких комплексах не встречается. Параллельно исследователям посчастливилось случайно обнаружить, что в трех мутантных линиях мышиных клеток с поврежденной (и, видимо, нежизнеспособной) формой этого белка суперкомплексы с участием комплекса IV в мембране митохондрий вообще не выявляются. При этом если в мутантные клетки вставить ген нормального белка, то эти суперкомплексы начинают в них образовываться. Из всего этого исследователи сделали закономерный вывод: данный белок помогает комплексу IV образовывать суперкомплексы и потому заслуживает того, чтобы быть переименованным в фактор объединения суперкомплексов I (supercomplex assembly factor I, или SCAFI) и быть исследованным подробнее.

Справедливости ради отметим, что идея про белки, стабилизирующие суперкомплексы, не нова: в прошлом году у дрожжей уже были обнаружены два белка, Rcf1 и Rcf2, которые также участвовали в образовании суперкомплексов (см.: V. Strogolova et al., 2012. Rcf1 and Rcf2, members of the hypoxia-induced gene 1 protein family, are critical components of the mitochondrial cytochrome bc1-cytochrome c oxidase supercomplex).

Зачем же нужно образование суперкомплексов? Исследователи предложили элегантное объяснение этого явления (рис. 2).

Допустим, в мембране нет никаких суперкомплексов, а дыхательные комплексы работают поодиночке и независимо друг от друга. Тогда передача электронов производится по простому, имеющему всего одно разветвление маршруту: комплекс I переносит электроны с NADH на кофермент Q (назовем этот пул кофермента Q «CoQ NADH »), комплекс II - с сукцината на кофермент Q (этот пул кофермента Q мы назовем «CoQ FAD », поскольку окисление в комплексе II происходит с помощью кофактора FAD); после этого c обоих пулов кофермента Q электроны с помощью комплекса III передаются на цитохром c (то есть образуется только один большой пул цитохрома c, назовем его Cyt c both , потому что он относится к обоим потокам); и наконец, цитохром c, пойманный комплексом IV, переносит электроны на кислород. Иными словами, во всей системе существует только один пул комплексов IV - назовем его IV both .

Если же в мембране, помимо одиноких комплексов, плавают еще и суперкомплексы, то маршрут электронов сложнее и разветвленнее. Помимо вышеописанного пути по свободным комплексам, они также могут попасть в респирасому, где в конце концов отдельный пул комплекса IV (назовем его IV NADH) перенесет их с отдельного пула цитохрома c на кислород. Могут с помощью комплекса II попасть на суперкомплекс III+IV, откуда, опять же, отправятся на кислород (этот пул комплексов IV мы назовем IV FAD). Таким образом, у нас есть три пула комплексов IV - IV NADH , IV FAD и IV both .

В результате такого разделения система становится более гибкой, застрахованной от перенасыщения одним субстратом и конкуренции между субстратами и, наоборот, адаптированной под использование разных субстратов на оптимальных уровнях. Например, если «кормить» митохондрии исключительно сукцинатом (отправляющим электроны по FAD-пути), то в отсутствие суперкомплексов они будут обрабатывать его быстрей, чем в их присутствии. Однако если поместить эти митохондрии в среду, содержащую и сукцинат, и пируват+малат (отправляющие электроны по NADH-пути), то обработка сукцината в митохондриях, содержащих суперкомплексы, не изменится, а вот в митохондриях без суперкомплексов - существенно упадет (рис. 3).

Судя по всему, наличие суперкомплексов - это просто дополнительный и необязательный «бантик» в электронтранспортной цепи. Хотя суперкомплексы, видимо, и добавляют этой цепи эргономичности, но и в их отсутствие митохондрии (а также животные, в которых работают эти митохондрии) прекрасно себя чувствуют. Обсуждаемая же работа, во-первых, предоставляет генетическое свидетельство наличия суперкомплексов, а во-вторых, предлагает элегантную теорию пластичности электронтранспортной цепи.

Окислительное фосфорилирование

Впервые механизм окислительного фосфорилирования был предложен Питером Митчеллом. Согласно этой гипотезе перенос электронов, происходящий на внутренней митохондриальной мембране, вызывает выкачивание ионов Н + из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Это создает градиент концентрации ионов Н + между цитозолем и замкнутым внутримитохондриальным пространством. Ионы водорода в норме способны возвращаться в матрикс митохондрий только одним способом - через специальный фермент, образующий АТФ - АТФ-синтазу.

По современным представлениям внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд мультиферментных комплексов, включающих множество ферментов. Эти ферменты называют дыхательными ферментами, а последовательность их расположения в мембране - дыхательной цепью (англ. electron transport chain).

Общий принцип окислительного фосфорилирования

В целом работа дыхательной цепи заключается в следующем:

1. Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН 2 передают атомы водорода (то есть протоны водорода и электроны) на ферменты дыхательной цепи.
2. Электроны движутся по ферментам дыхательной цепи и теряют энергию.
3. Эта энергия используется на выкачивание протонов Н + из матрикса в межмембранное пространство.
4. В конце дыхательной цепи электроны попадают на кислород и восстанавливают его до воды.
5. Протоны Н + стремятся обратно в матрикс и проходят через АТФ-синтазу.
6. При этом они теряют энергию, которая используется для синтеза АТФ.

Таким образом, восстановленные формы НАД и ФАД окисляются ферментами дыхательной цепи, благодаря этому происходит присоединение фосфата к АДФ, то есть фосфорилирование. Поэтому весь процесс целиком получил название окислительное фосфорилирование.

Окислительно-восстановительные ферменты, катализирующие перенос электронов, и окислительное фосфорилирование локализованы в липидном слое внутренней мембраны митохондрий клеток.

Транспорт электронов к кислороду в митохондриях (рис. 13.3) происходит в несколько этапов и представляет собой цепь из переносчиков электронов, у которых по мере приближения к кислороду возрастает редокс-потенциал (соответственно снижается восстановительный потенциал). Эти транспортные системы получили название дыхательных цепей.

Рис. 13.3.

Большинство электронных пар поступает в дыхательную цепь благодаря действию ферментов (дегидрогеназ), использующих в качестве акцепторов электронов коферменты NAD+ и NADP + . Всю эту группу ферментов называют ЫАО(Р)-зависимыми дегидрогеназами.

Коферменты NAD + (никотинамид-адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), ко- фермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков - цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, Q, С, А, А 3) и белки, содержащие негеминовое железо, являются промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов. Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD и образования NADH и FADH2.

Последующее движение электронов от NADH и FADH 2 к кислороду можно уподобить скатыванию с лестницы, ступеньками которой являются переносчики электронов. При каждом шаге со ступеньки на ступеньку высвобождается порция свободной энергии (см. рис. 13.3).

В переносе электронов от органических субстратов к молекулярному кислороду принимают участие три белковых комплекса (I, III, IV) и две подвижные молекулы-переносчики: убихинон (ко- фермент Q) и цитохром С.

Рис. 13.4. Строение молекулы гема, z = 2* или 3 +

Сукцинатдегидрогеназа, принадлежащая собственно к циклу Кребса, также может рассматриваться как комплекс II дыхательной цепи.

Комплексы дыхательной цепи построены из множества полипептидов и содержат ряд различных окислительно-восстановительных кофер- ментов, связанных с белками.

Переносчики электронов цито- хромы (названные так из-за своей окраски) - это белки, содержащие в качестве простетической группы различные группы гемов. Гемы типа Ь соответствуют гемоглобинам. Гем ковалентно связан с белком (рис. 13.4).

Общим для цитохромов является способность иона железа, находящегося в геме, изменять степень окисления при передаче электрона:

Флавинзависимые дегидрогеназы - это белки, у которых сульфгидрильные группы цистеина, входящего в состав белка, связаны с атомами железа, в результате чего образуется железосерные комплексы (центры). Как и в цитохромах, атомы железа в таких центрах способны отдавать и принимать электроны, переходя поочередно в ферри- (Fe +3) и ферро- (Fe +2) состояния.

Железосерные центры функционируют совместно с флавинсодержащими ферментами FAD или FMN.

Фпавинадениндинуклеотид (FAD) является производным витамина В 2 (рибофлавина). Восстанавливаясь, FAD (окисленная форма) присоединяет два атома водорода и превращается в FADH 2 (восстановленная форма):

Еще один переносчик электронов, относящийся к данной группе, - флавинмононуклеотид (FMN) также является производным витамина В 2 (отличается от витамина В 2 только наличием фосфатной группы).

Оба флавиновых кофермента могут существовать и в форме так называемых семихинонов - свободных радикалов, которые образуются в результате переноса только одного электрона на FAD или FMN:

Общее обозначение различных флавопротеидов, различающихся белковой составляющей фермента, - FP„.

Пиридинзависимые дегидрогеназы получили такое название потому, что коферментом для них служат NAD + и NADP + , в молекулах которых имеется производное пиридина - никотинамид:

Катализируемые этими ферментами реакции можно представить следующим образом:

Дегидрогеназы, связанные с NAD + , принимают участие главным образом в процессе дыхания, т.е. в процессе переноса электронов от субстратов к кислороду, тогда как дегидрогеназы, связанные с NADP + , участвуют преимущественно в переносе электронов от субстратов, возникающих в результате катаболиче- ских реакций, к восстановительным реакциям биосинтеза.

Единственный небелковый переносчик электронов - убихинон, названный так потому, что этот хинон встречается везде (от ubiquitous - вездесущий). Сокращенно его обозначают CoQ или просто Q. Убихинон при восстановлении присоединяет не только электроны, но и протоны. При одноэлектронном переносе он превращается в семихинон, двухэлектронном - в гидрохинон.

Последовательность переносчиков электронов в дыхательной цепи митохондрий можно представить следующей схемой:

Эта схема описывается цепью последовательных реакций:

Таким путем через дыхательную цепь электроны от субстратов достигают конечного акцептора - атмосферного кислорода. Образующаяся в результате этого процесса вода называется метаболической.

Разделение водорода на протоны и электроны в мембране митохондрий представляет собой цепь переноса электронов, которая работает как протонный насос, перекачивающий ионы водорода из межклеточного пространства на наружную сторону мембраны.

Где наводят протонный потенциал . Протонный потенциал преобразуется АТФ-синтазой в энергию химических связей АТФ . Сопряжённая работа ЭТЦ и АТФ-синтазы носит название окислительного фосфорилирования .

В митохондриях эукариот цепь переноса электронов начинается с окисления НАДН и восстановления убихинона Q комплексом I. Далее комплекс II окисляет сукцинат до фумарата и восстанавливает убихинон Q . Убихинон Q окисляется и восстанавливается цитохром с комплексом III. В конце цепи комплекс IV катализирует перенос электронов с цитохрома с на кислород с образованием воды . В результате реакции, на каждые условно выделившиеся 6 протонов и 6 электронов выделяются 2 молекулы воды за счёт траты 1 молекулы О 2 и 10 молекул НАД∙Н.

Комплекс I или НАДН-дегидрогеназный комплекс окисляет НАД-Н . Этот комплекс играет центральную роль в процессах клеточного дыхания и. Почти 40 % протонного градиента , для синтеза АТФ , создаются именно этим комплексом . Комплекс I окисляет НАДН и восстанавливает одну молекулу убихинона , которая высвобождается в мембрану. На каждую окисленную молекулу НАДН комплекс переносит через мембрану четыре протона . НАДН-дегидрогеназный комплекс отбирает у него два электрона и переносит их на убихинон . Убихинон растворим в липидах . Убихинон внутри мембраны диффундирует к комплексу III. Вместе с этим, комплекс I перекачивает 2 протона и 2 электрона из матрикса в митохондрии .

Электрон-транспортная цепь комплекса I. Серые стрелочки - маловероятный или ныне не существующий путь переноса

Кластер N5 имеет очень низкий потенциал и лимитирует скорость общего потока электронов по всей цепи. Вместо обычных для железосерных центров лигандов (четырёх остатков цистеина) он скоординирован тремя остатками цистеина и одним остатком гистидина , а также окружён заряженными полярными остатками, хотя и находится в глубине фермента .

Кластер N7 присутствует только в комплексе I некоторых бактерий. Он значительно удалён от остальных кластеров и не может обмениваться с ними электронами, так что по-видимому, является реликтом . В некоторых бактериальных комплексах, родственных комплексу I, между N7 и остальными кластерами обнаружены четыре консервативных остатка цистеина, а комплексе I бактерии Aquifex aeolicus был обнаружен дополнительный Fe 4 S 4 кластер, соединяющий N7 с остальными кластерами. Из этого следует вывод, что у A. aeolicus комплекс I, кроме НАДН, может использовать иной донор электронов, который передаёт их через N7 .

НАДН-дегидрогеназный комплекс окисляет НАДН, образовавшийся в матриксе в ходе цикла трикарбоновых кислот . Электроны от НАДН используются для восстановления мембранного переносчика, убихинона Q, который переносит их к следующему комплексу электрон-транспортной цепи митохондрий, комплексу III или цитохром-bc 1 -комплексу .

НАДН-дегидрогеназный комплекс работает как протонная помпа : на каждый окисленный НАДН и восстановленный Q через мембрану в межмембранное пространство перекачиваются четыре протона :

Образовавшийся в ходе реакции электрохимический потенциал используется для синтеза АТФ . Реакция, катализируемая комплексом I, обратима, этот процесс называется аэробное сукцинат -индуцированное восстановление НАД + . В условиях большого потенциала на мембране и избытка восстановленных убихинолов комплекс может восстанавливать НАД + с использованием их электронов и пропускать протоны обратно в матрикс. Этот феномен обычно наблюдается, когда много сукцината, но мало оксалоацетата или малата . Восстановление убихинона осуществляется ферментами сукцинатдегидрогеназой , или митохондриальной. В условиях высокого протонного градиента сродство комплекса к убихинолу повышается, а редокс-потенциал убихинола снижается благодаря росту его концентрации, что и делает возможным обратный транспорт электронов по электрическому потенциалу внутренней мембраны митохондрий к НАД . Данный феномен удалось наблюдать в лабораторных условиях, но неизвестно, имеет ли он место в живой клетке.

На начальных этапах исследования комплекса I широко обсуждалась модель, основанная на предположении, что в комплексе оперирует система, похожая на. Однако позднейшие исследования не обнаружили в комплексе I каких-либо внутренне связанных хинонов и полностью опровергли эту гипотезу .

НАДН-дегидрогеназный комплекс, по-видимому, имеет уникальный механизм транспорта протонов посредством конформационных изменений самого фермента. Субъединицы ND2, ND4 и ND5 называются антипорт -подобными, поскольку они гомологичны друг другу и бактериальным Mrp Na + /H + антипортам. Эти три субъединицы образуют три основных протонных канала, которые состоят из консервативных остатков заряженных аминокислот (в основном лизина и глутамата). Четвёртый протонный канал образован частью субъединицы Nqo8 и малыми субъединицами ND6, ND4L и ND3. Канал сходен по строению с аналогичными каналами антипорт-подобных субъединиц, но содержит необычно много плотно упакованных остатков глутамата со стороны матрикса, за что и получил название E-канал (латинское E используется как стандартное обозначение глутамата). От С-конца субъединицы ND5 отходит удлинение, состоящее из двух трансмембранных спиралей, соединённых необычно протяжённой (110 Å) α-спиралью (HL), которая, проходя по стороне комплекса, обращённой в матрикс, физически соединяет все три антипорт-подобные субъединицы, и возможно, участвует в сопряжении транспорта электронов с конформационной перестройкой. Ещё один сопрягающий элемент, βH, образован серией перекрывающихся и α-спиралей, он расположен на противоположной, периплазматической стороне комплекса . До сих пор окончательно неизвестно, как именно транспорт электронов сопряжён с переносом протонов. Полагают, что мощный отрицательный заряд кластера N2 может расталкивать окружающие полипептиды, вызывая тем конформационные изменения, которые неким образом распространяются на все антипорт-подобные субъединицы, расположенные довольно далеко друг от друга. Другая гипотеза предполагает, что изменение конформации вызывает в необычно длинном сайте связывания убихинона стабилизированный убихинол Q −2 с крайне низким редокс-потенциалом и отрицательным зарядом. Неизвестными остаются и многие детали кинетики конформационных изменений и сопряжённого с ними транспорта протонов .

Наиболее изученный ингибитор комплекса I - ротенон (широко применяемый как органический пестицид). Ротенон и ротеноиды - это изофлавоноиды , которые присутствуют в корнях нескольких родов тропических растениях таких как Антония (Loganiaceae ), Derris и Lonchocarpus (Fabaceae ). Ротенон давно используется как инсектицид и рыбный яд, так как митохондрии насекомых и рыб особенно к нему чувствительны. Известно, что коренные жители Французской Гвианы и другие индейцы Южной Америки использовали ротенон-содержащие растения для рыболовства уже в XVII веке . Ротенон взаимодействует с сайтом связывания убихинона и конкурирует с основным субстратом. Было показано, что долгосрочное системное подавление комплекса I ротеноном может индуцировать селективное отмирание дофаминергических нейронов (секретирующих в качестве нейротрансмиттера дофамин) . Схожим образом действует и пиерицидин А , ещё один мощный ингибитор комплекса I, структурно схожий с убихиноном. К этой же группе относится и амитал натрия - производное барбитуровой кислоты .

Несмотря на более чем 50-летнее изучение комплекса I, так и не удалось обнаружить ингибиторы, блокирующие перенос электронов внутри комплекса. Гидрофобные ингибиторы, такие как ротенон или пиерицидин, просто прерывают перенос электрона с терминального кластера N2 на убихинон .

Ещё одно вещество, блокирующее комплекс I - это аденозиндифосфатрибоза , в реакции окисления НАДН. Он связывается с ферментом в сайте связывания нуклеотида (ФАД) .

К одним из самых сильных ингибиторов комплекса I относится семейство ацетогенинов . Показано, что эти вещества образуют химические сшивки с субъединицей ND2, что косвенно указывает на роль ND2 в связывании убихинона . Любопытно отметить, что ацетогенин роллиниастатин-2 стал первым из обнаруженных ингибиторов комплекса I, который связывается в другом месте, нежели ротенон .

Умеренным ингибиторным эффектом обладает антидиабетический препарат метформин ; по-видимому, данное свойство препарата лежит в основе механизма его действия .

Электроны от сукцината сначала переносятся на ФАД, а затем через Fe-S кластеры на Q. Электронный транспорт в комплексе не сопровождается генерацией протонного градиента . Образовавшиеся при окислении сукцината 2H + остаются на той же стороне мембраны, то есть в матриксе , и затем снова поглощаются при восстановлении хинона. Таким образом комплекс II не вносит вклада в создание протонного градиента на мембране и работает только как переносчик электронов от сукцината к убихинону .

В результате окисления сукцината его электроны переносятся на ФАД , а затем передаются по цепи из железосерных кластеров от кластера к . Там эти электроны переносятся на ожидающую в сайте связывания молекулу убихинона .

Так же есть предположение, что для того что бы не давать электрону напрямую попадать с кластера на гем действует специальный воротный механизм. Вероятный кандидат на роль ворот - гистидин -207 субъединицы B, который расположен прямо между железосерным кластером и гемом, неподалёку от связанного убихинона, вероятно, он может управлять потоком электронов между этими редокс-центрами .

Существует два класса ингибиторов комплекса II: одни блокируют карман для связывания сукцината, а другие - карман для связывания убихинола . К ингибиторам, имитирующем убихинол, относятся карбоксин и теноилтрифторацетон . К ингибиторам-аналогам сукцината принадлежит синтетическое соединение малонат а также компоненты цикла Кребса , малат и оксалоацетат . Интересно, что оксалоацетат является одним из самых сильных ингибиторов комплекса II. По какой причине обычный метаболит цикла трикарбоновых кислот ингибирует комплекс II остаётся не ясным, хотя предполагают, что таким образом он может выполнять защитную роль, сводя к минимуму обратный транспорт электронов в комплексе I , в результате которого происходит образование супероксида .

Ингибиторы, имитирующие убихинол, использовались как фунгициды в сельском хозяйстве начиная с 1960-х годов. Например, карбоксин в основном использовался для заболеваний вызванных базидиомицетами , такими как стеблевы ржавчины и заболевания вызванные Rhizoctonia . В последнее время им на смену пришли другие соединения с более широким спектром подавляемых патогенов. К таким соединениям относятся боскалид , пентиопирад и флуопирам . Некоторые сельскохозяйственно значимые грибы не восприимчивы к действию этого нового поколения ингибиторов .

Цитохро́м-bс1-ко́мплекс (комплекс цитохромов bc 1) или убихинол-цитохром с-оксидоредуктаза, или комплекс III - мультибелковый комплекс дыхательной цепи переноса электронов и важнейший биохимический генератор протонного градиента на мембране митохондрий. Этот мультибелковый трансмембранный комплекс кодируется митохондриальным (цитохром b ) и ядерным геномами .

Цитохром-bс 1 -комплекс окисляет восстановленный убихинон и восстанавливает цитохром c (Е°"=+0,25 В) согласно уравнению:

Электронный транспорт в комплексе сопряжен с переносом протонов из матрикса (in) в межмембранное пространство (out) и генерацией на мембране митохондрий протонного градиента. На каждые два электрона , проходящие по цепи переноса от убихинона до цитохрома с , два протона поглощается из матрикса, и ещё четыре высвобождаются в межмембранное пространство. Восстановленный цитохром c движется вдоль мембраны в водной фракции и переносит один электрон к следующему дыхательному комплексу - цитохромоксидазе .

События, которые при этом происходят, известны как Q-цикл, который был постулирован Питером Митчеллом в 1976 году. Принцип Q-цикла состоит в том, что перенос Н + через мембрану происходит в результате окисления и восстановления хинонов на самом комплексе. При этом хиноны соответственно отдают и забирают 2Н + из водной фазы избирательно с разных сторон мембраны.

В структуре комплекса III есть два центра, или два «кармана», в которых могут связываться хиноны. Один из них, Q out -центр, расположен между железосерным кластером 2Fe-2S и гемом b L вблизи внешней (out) стороны мембраны, обращённой в межмембранное пространство. В этом кармане связывается восстановленный убихинон (QH 2). Другой, Q in -карман, предназначен для связывания окисленного убихинона (Q) и расположен вблизи внутренней (in) стороны мембраны, контактирующей с матриксом.

Необходимым и парадоксальным условием работы Q-цикла является тот факт, что время жизни и состояние семихинонов в двух центрах связывания разное. В Q out -центре Q нестабилен и действует как сильный восстановитель, способный отдать е - на низкопотенциальный гем by. В Q in -центре образуется относительно долгоживущий Q − , потенциал которого позволяет ему действовать в качестве окислителя, принимая электроны с гема b H . Ещё один ключевой момент Q-цикла связан с расхождением двух электронов , входящих в комплекс, по двум разным путям. Изучение кристаллической структуры комплекса показало, что позиция 2Fe-2S-центра относительно других редокс-центров может смещаться. Оказалось, что белок Риске имеет подвижный домен , на котором собственно и расположен 2Fe-2S кластер. Принимая электрон и восстанавливаясь, 2Fe-2S центр меняет своё положение, отдаляясь от Q out -центра и гем b L на 17 с поворотом на 60° и тем самым приближаясь к к цитохрому c . Отдав электрон цитохрому, 2Fe-2S центр, наоборот, сближается с Q out -центром для установления более тесного контакта. Таким образом, функционирует своеобразный челнок (шаттл), гарантирующий уход второго электрона на гемы b L и b H . Пока это единственный пример, когда электронный транспорт в комплексах связан с подвижным доменом в структуре белка .

Небольшая часть электронов покидает цепь переноса до того как достигнет Комплекса IV . Постоянные утечки электронов на кислород приводят к образованию супероксида . Эта небольшая побочная реакция приводит к образованию целого спектра активных форм кислорода , которые весьма токсичны и играют значительную роль в развитии патологий и старения) . Электронные протечки в основном происходят в Q in -сайте. Этому процессу способствует антимицин A . Он блокирует гемы b в их восстановленном состоянии не давая им сбросить электроны на семихинон Q , что в свою очередь приводит к повышению его концентрации. Семихинон реагирует к кислородом , что и приводит к образованию супероксида . Образовавшийся супероксид поступает в митохондриальный матрикс и межмембранное пространство, откуда он может попасть в цитозоль. Этот факт можно объянить тем, что Комплекс III, возможно, производит супероксид в форме незаряженного HOO , которому легче проникнуть сквозь внешнюю мембрану по сравнению с заряженным Супероксидом (O 2 -) .

Некоторые из этих веществ используются как фунгициды (например, производные стробилурина , наиболее известным из которых является азоксистробин , ингибитор сайта Q внеш) и противомалярийные препараты (атовакуон) .

Цитохром с оксида́за (цитохромоксидаза) или цитохром с-кислород-оксидоредуктаза, также известная как цитохром aa 3 и комплекс IV - терминальная оксидаза аэробной дыхательной цепи переноса электронов, которая катализирует перенос электронов с цитохрома с на кислород с образованием воды . Цитохромоксидаза присутствует во внутренней мембране митохондрий всех эукариот , где её принято называть комплекс IV, а также в клеточной мембране многих аэробных бактерий .

Комплекс IV последовательно окисляет четыре молекулы цитохрома с и, принимая четыре электрона, восстанавливает O 2 до H 2 O. При восстановлении O 2 четыре H + захватываются из