Игра в «горячую картошку»: электрон-транспортная цепь (ЭТЦ)

В митохондриях находятся четыре мембраносвязанных комплекса: три из них – это протонные насосы. Каждый характеризуется чрезвычайно сложной структурой, встроенной во внутреннюю мембрану. На рис. 1.3 показаны компоненты ЭТЦ. Следуя за потоком электронов (е) вниз по ЭТЦ, можно увидеть, куда направляются протоны (H). Комплекс I забирает электроны у молекул НАДН и передает их коферменту Q10 (CoQ10, обозначенному на рисунке как Q). CoQ10 также получает электроны от комплекса II. Затем CoQ10 передает электроны комплексу III, который, в свою очередь, передает их цитохрому c. Цитохром с передает электроны комплексу IV, который принимает их и два иона водорода (H) и вступает в реакцию с кислородом, что приводит к образованию воды (H₂O).

Рис. 1.3. Дыхательная электрон-транспортная цепь (ЭТЦ), включая АТФ-синтазу. Цикл Кребса (ЦТК) производит НАДН и ФАДН₂, которые включаются в ЭТЦ на этапе первого и второго комплексов соответственно. Оба комплекса передают электроны (е) коферменту Q10, после чего электроны продолжают свой путь до тех пор, пока не вступают в реакцию с кислородом (О₂), для того чтобы синтезировать воду (H₂O). Протоны (H+) накачиваются комплексами I, III и IV, создавая градиент концентрации протонов, или протонный градиент. Затем протоны возвращаются с помощью АТФ-синтазы, и в результате синтезируется АТФ

Важно понимать, что передача электронов вниз по ЭТЦ не всегда является на сто процентов эффективной. Небольшая часть электронов сбивается с курса и вовлекается в молекулярную игру «горячая картошка», в результате чего происходит их утечка в матрикс. Такие электроны слишком рано вступают в реакцию с кислородом, что приводит к формированию супероксида – потенциально опасного свободного радикала. Свободные радикалы – это молекулы с высокой реакционной способностью. Они играют огромную роль в окислительном стрессе, приводящем к развитию множества болезней и даже старению как таковому (об этом я вкратце расскажу ниже).

ОТРАВЛЕНИЕ УГАРНЫМ ГАЗОМ (МОНООКСИДОМ УГЛЕРОДА)

При отравлении угарным газом этот токсин подменяет кислород в качестве конечного пункта следования электронов, спускающихся по ЭТЦ. Если это происходит, то клеточное дыхание останавливается, так как электроны не могут двигаться дальше. Если угарный газ не удалить из клетки, митохондрии умрут, что в свою очередь приведет к смерти клеток, а затем к гибели всего организма.

Тем, кто знаком с концепцией свободных радикалов, может быть интересно узнать, что электрон-транспортная цепь – это основной участок производства эндогенных свободных радикалов (то есть свободных радикалов, возникающих в самом организме, в отличие от внешних вредоносных факторов, таких как промышленные выбросы). Все это вскоре соберется в единый пазл. А пока давайте закончим обзор ЭТЦ и ее компонентов.

Комплекс I – первый шаг в ЭТЦ

Известный также как НАДН-дегидрогеназа, комплекс I представляет собой большую молекулу, состоящую из 46 белковых субъединиц. Он забирает два электрона у НАДН и передает их жирорастворимому коферменту убихинону (окисленному CoQ10, или просто Q). В рамках двухшагового процесса CoQ10 восстанавливается до убихинола (QH₂) и проталкивает 4 протона (H) через мембрану, создавая таким образом протонный градиент. Это – основной участок в ЭТЦ, откуда электроны ускользают, чтобы сформировать вредоносные супероксиды.

Комплекс II: второй шаг, или короткий путь к ЭТЦ

Этот уникальный комплекс, также называемый сукцинатдегидрогеназой (или сукцинат-убихинон-оксидорекдуктазой), прямо участвует как в цикле Кребса, так и в ЭТЦ. Он состоит всего из четырех белковых субъединиц и является единственным комплексом в ЭТЦ, который не выкачивает протоны. Его функция заключается в переносе дополнительных электронов от сукцината к CoQ10 (через ФАДН₂). Другие доноры электронов (такие как жирные кислоты) также вводятся в ЭТЦ через ФАДН₂.

Комплекс III: близнецы, жонглирующие электронами

Комплекс III, известный как цитохром-bc1-комплекс, является димером, то есть состоит из двух идентичных и сравнительно простых комплексов. Каждая часть димера включает в себя 11 белковых субъединиц, что в совокупности равняется 22.

Рис. 1.4. Комплекс I принимает электроны от молекулы НАДН и передает их с помощью железосерных кластеров (Fe-S) коферменту Q10 (Q). В результате четыре протона (H) выкачиваются из матрикса в межмембранное пространство

Именно здесь протекает цикл Q, многоступенчатый процесс, благодаря которому убихинол (кофермент Q восстановленный) трансформируется в убихинон (окисленный CoQ10). Сеть из четырех протонов выкачивается соответствующим насосом и вносит свой вклад в протонный градиент.

Это второй основной участок в ЭТЦ, где электроны могут выпасть из общей цепи и вместе с кислородом сформировать свободные радикалы в форме супероксида.

Комплекс IV: создатель воды

Комплекс IV, или цитохром с-оксидаза, состоит из 13 белковых субъединиц. Он обеспечивает отъем четырех электронов у четырех молекул цитохрома с (Cyt c) и передачу их молекулам кислорода (О₂), что приводит к синтезу двух молекул воды. В результате два протона выкачиваются через мембрану, участвуя в создании протонного градиента.

Рис. 1.5. Комплекс II также является частью цикла Кребса, в котором синтезируется ФАДН₂. Затем электроны ФАДН₂ с помощью железосерных кластеров (Fe-S) передаются коферменту Q10 (Q). Это – единственный комплекс, который не выкачивает протоны

О ТОМ, КАК ВЕРБЛЮДЫ ОБХОДЯТСЯ БЕЗ ВОДЫ В ПУСТЫНЕ

Настало время развеять миф о верблюдах, которые якобы носят запасы воды в своих горбах. На самом деле их горбы являются залежами жира, который не только служит источником большого количества энергии, но и, расщепляясь в ходе окислительного фосфорилирования, превращается в воду под воздействием комплекса IV (приблизительно 1 грамм или миллилитр воды на каждый грамм сжигаемого жира). Отчасти поэтому (есть у них и другие адаптационные механизмы) верблюды могут столь долгое время обходиться без воды.

Рис. 1.6. Комплекс III принимает электроны восстановленного кофермента Q₁₀ (QH₂) в ходе многоступенчатого процесса под названием Q-цикл. Электроны перемещаются к цитохрому с (Cyt c), после чего четыре протона (H) выкачиваются в межмембранное пространство

ОТРАВЛЕНИЕ ЦИАНИДОМ И СУИЦИД

Цианистый калий – широко известный яд (он использовался при массовом самоубийстве в Джонстауне, Гайана, а также часто выдается военным на случай неизбежного пленения), который убивает за счет остановки ЭТЦ. Цианид-ионы блокируют комплекс IV (цитохромоксидазу), связываясь с железом, входящим в состав данного фермента, чем препятствуют переносу электронов между цитохром сцитохром с-оксидазой и кислородом и прерывают этот жизненно важный процесс. Сегодня наиболее эффективным противоядием против цианистого калия является гидроксокобаламин (форма витамина В₁₂), который вступает в реакцию с цианидом и образует цианилкобаламин (форма витамина B₁₂, присутствующая в большинстве питательных веществ и легко выводимая из организма почками).

Рис. 1.7. Комплекс IV принимает электроны от цитохрома с (Cyt c), выкачивает четыре протона в межмембранное пространство и передает электроны конечному получателю, кислороду (О₂), в целях синтеза безопасной субстанции – воды (H₂O)

Суперкомплексы: оптимизация скорости потока электронов

То, что я рассказал, относится к школьному и вузовскому курсам биологии. В дополнении к четырем комплексам есть еще и АТФ-синтаза (которую некоторые ученые относят к комплексу V). В целом ЭТЦ митохондрий состоит из пяти белковых комплексов, функция которых заключается в синтезе АТФ. Современные биологические исследования выявили несовершенство стандартной теории о свободно плавающих во внутренней мембране митохондрий дискретных ферментах. Научные данные свидетельствуют о том, что митохондриальные ферменты ЭТЦ собраны в более крупные супрамолекулярные структуры, называемые «цельными суперкомплексами». Наличие этих структур резко повышает качество переноса электронов, так как расстояние, которое электрон должен преодолеть между комплексами, сокращается до нескольких нанометров.

Чтобы еще больше запутать ситуацию, отметим, что в научном мире обсуждается не только существование суперкомплексов, но и их возможное разнообразие. Примером является суперкомплекс респирасома, в который входят комплексы I, III и IV. Есть суперкомплексы, в которые входят только комплексы I и III или комплексы III и IV. Такие сочетания комплексов обусловливают доступность пула CoQ10 и цитохрома с для этих суперкомплексов.

Есть доказательства того, что некоторые расстройства здоровья связаны с диссоциацией компонентов этих суперкомплексов. Я намеренно не буду указывать на конкретные заболевания, потому что вопрос еще недостаточно изучен, и упоминаю о данных исследованиях, чтобы показать: наши знания в этой области постоянно эволюционируют и расширяются.