Наука | 
-3
1966

Консервативные генетические механизмы старения: ЭТЦ

Компас посвящен описанию функционирования одного из консервативных механизмов старения: электрон-транспортной (дыхательной) цепи митохондрий - системы белков, регулирующей энергетические процессы в клетке и участвующей в образовании активных форм кислорода (АФК).

на сайте с 13 января 2009

Общая характеристика электрон-транспортной (дыхательной) цепи

Электрон-транспортная (дыхательная) цепь С появлением в атмосфере кислорода (O2) возникла возможность
переноса на него электронов. Чтобы этот перенос мог быть связан
с получением энергии, необходимо было сформировать
электрон-транспортные цепи с определенным образом
ориентированными в мембране переносчиками, обеспечивающими на
отдельных этапах перемещение протонов через мембрану, а
электронов — на O2, и ферментный комплекс,
преобразующий возникающую при электронном транспорте
электрохимическую энергию в химическую, запасаемую в молекулах
АТФ.
Электрон-транспортная цепь (дыхательная цепь, ЭТЦ, ETC, electron transport chain) представляет собой систему структурно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчиков электронов. ЭТЦ позволяет запасти энергию, выделяющуюся в ходе окисления NАDH и FADH молекулярным кислородом (в случае аэробного дыхания) или иными веществами (в случае анаэробного дыхания) в форме трансмембранного протонного потенциала за счёт последовательного переноса электрона по цепи, сопряжённого с перекачкой протонов через мембрану.
Известно около 20 переносчиков электронов, составляющих цепь транспорта электронов. Они сгруппированы в три больших ансамбля:
- NADH-дегидрогеназный комплекс;
- комплекс, содержащий цитохромы b и c;
- цитохромоксидазный комплекс.
Связующим звеном между первым и вторым комплексами является кофермент Q (убихинон), между вторым и третьим - цитохром с. Цитохромы содержат простетическую группу - гем. В районе ансамблей происходит транспорт протонов из матрикса в межмембранное пространство. Среди них только NAD, флавины и убихинон являются двухэлектронными, в то время как остальные компоненты электрон-транспортной цепи одноэлектронные. Протонный потенциал преобразуется АТФ-синтазой в энергию химических связей АТФ. Сопряжённая работа ЭТЦ и АТФ-синтазы носит название
окислительного фосфорилирования. Работа ЭТЦ вносит наибольший вклад в образование активных форм кислорода (АФК) в клетках, в связи с этим гены, кодирующие компоненты ЭТЦ, в настоящее время рассматриваются как терапевтические мишени для увеличения продолжительности жизни и лечения различного рода старческих заболеваний.

Молекулярный кислород и дыхание

академик В.П. Скулачев
Появление и накопление O2 в земной атмосфере было событием, значение которого для последующей эволюции жизни на Земле трудно переоценить. Прежде всего это означало существенную перестройку всего, что сформировалось на Земле в "докислородную" эпоху, и в первую очередь касалось живых организмов.Общепринято представление о том, что молекулярный кислород
атмосферы имеет биогенное происхождение, и его появление
непосредственно связано с формированием нового типа фотосинтеза,
при котором в качестве донора электронов используется вода.
Образование O2 в возрастающих количествах сделало
возможным протекание окислительных реакций в широких масштабах.
Изменился характер атмосферы: из восстановительной она стала
окислительной. Последнее повлекло за собой существенные
изменения в отношении донор-акцепторной проблемы. Если в
условиях бескислородной атмосферы доминирующим было решение
проблемы акцептора электронов, то в условиях кислородной
атмосферы основной становится проблема донора электронов,
поскольку с появлением O2 в атмосфере Земли образовался
источник превосходного акцептора электронов.
Как фактор внешней среды O2 воздействует на современные
прокариотные организмы двояко: с одной стороны, он может быть
абсолютно необходимым, с другой — с молекулярным
кислородом и его производными связаны токсические эффекты для клеток
. Тот факт, что все существующие на Земле прокариоты, даже строгие анаэробы, в присутствии O2 его поглощают,
указывает на осуществление ими каких-то реакций взаимодействия с
молекулярным кислородом. Действительно, в настоящее время известно, что O2 может быть необходим клетке для получения энергии или же для осуществления всего одной реакции, не имеющей
энергетического значения. Hа основании изучения энергетических процессов,происходящих в митохондриях животных клеток, академик В. П. Скулачев предложил следующую классификацию реакций взаимодействия клетки с молекулярным кислородом. Порцию поглощенного клеткой O2 можно разделить на две неравные части. Основная масса кислорода потребляется клеткой с участием клеточных ферментных систем, однако, поглощение клеткой какой-то небольшой части O2 не связано с ее ферментными системами. Иллюстрацией последнего служит хорошо известный факт активного поглощения кислорода суспензией убитых прогреванием клеток. В этом случае поглощение кислорода — чисто химический процесс, связанный с окислением определенных химических веществ клетки, например SH-групп клеточных белков. Нельзя исключить возможность протекания процессов аналогичной природы и в суспензии живых клеток. В свою очередь, ферментативное поглощение молекулярного кислорода — дыхание — подразделяется на окисление, сопряженное с запасанием энергии, и свободное окисление, т. е. не связанное с запасанием энергии для клетки. Окислительные
ферментативные реакции с участием O2, относимые к
категории свободного окисления, — это реакции, в
результате которых энергия выделяется в виде тепла. К
этой категории процессов относятся реакции, катализируемые моно-
и диоксигеназами, в которых имеет место прямое включение
кислорода в молекулу окисляемого вещества, а также реакции,
катализируемые некоторыми оксидазами.
Термин "дыхание" впервые был введен для
обозначения определенного процесса, связанного с
жизнедеятельностью высших организмов (растений и животных). Два
основных признака характеризовали этот процесс: газообмен с
внешней средой с непременным участием O2 и необходимость
для жизнедеятельности организма. Принципиальное сходство
процесса дыхания на клеточном уровне у всех высших организмов
делало употребление этого термина удобным, а обозначаемое им
понятие достаточно четким. Сложности возникли при применении
термина "дыхание" для обозначения функционально
аналогичных процессов у прокариот в силу их необычайного
разнообразия. В данном случае термин "дыхание"
распространяется на все процессы ферментативного поглощения
клеткой молекулярного кислорода.

Компоненты дыхательной цепи

Компоненты дыхательной цепи
Дыхательные электрон-транспортные цепи состоят из
большого числа локализованных в мембране переносчиков, с помощью
которых электроны передаются или вместе с протонами, т. е. в
виде атомов водорода, или без них. Компонентами цепи,
локализованными в мембране, являются переносчики белковой
(флавопротеины, FeS-белки, цитохромы) или небелковой (хиноны)
природы. Флавопротеины и хиноны осуществляют перенос атомов
водорода, а FeS-белки и цитохромы — электронов.

НАД(Ф)-зависимые дегидрогеназы, катализирующие отрыв
водорода от молекул различных субстратов и передающие его на
стартовый переносчик дыхательной цепи —
НАД(Ф)-H2-дегидрогеназу, — растворимые
ферменты. Дегидрогеназы флавопротеиновой природы, выполняющие
аналогичную функцию, могут быть локализованными в мембране
(например, сукцинатдегидрогеназа) или существовать в растворимой
форме (ацетил-КоА-дегидрогеназы жирных кислот). Водород с них
поступает в дыхательную цепь на уровне хинонов. Известно более 250 НАД(Ф)-зависимых дегидрогеназ,
активно участвующих в реакциях промежуточного обмена. Но не все
из них имеют отношение к энергетическому метаболизму. С помощью
дегидрогеназ осуществляется перенос гидрид-иона
от субстрата к НАД(Ф), при этом в среду переходит
протон. Атом водорода входит в состав
пиридинового кольца, а электрон присоединяется к азоту
пиридинового кольца. После восстановления НАД(Ф)-H2
отщепляется от активного центра фермента и переносится к
мембране, где акцептируется флавиновой дегидрогеназой и передает
ей восстановительные эквиваленты. Одновременно к дегидрогеназе,
освобожденной от кофермента, присоединяется окисленная молекула
НАД(Ф), поступающая из среды. Таким образом, особенность НАД(Ф)
— их подвижность, позволяющая им курсировать от молекул
— доноров электронов, находящихся в цитоплазме, к
акцепторам электронов, локализованным в мембране
. В состав флавиновых дегидрогеназ входят флавиновые
нуклеотиды, прочно связанные с апоферментом и не отщепляющиеся
от него ни на одной стадии каталитического цикла.
Окислительно-восстановительные свойства флавопротеинов
обусловлены способностью изоаллоксазинового кольца рибофлавина к
обратимому переходу из окисленного состояния в восстановленное,
при котором происходит присоединение к кольцу 2 электронов в
составе атомов водорода.
Участие в дыхательном электронном транспорте принимают
белки, содержащие железосероцентры. Они входят в
состав некоторых флавопротеинов, например сукцинат- и
НАД(Ф)-H2-дегидрогеназ, или же служат в качестве
единственных простетических групп белков. Дыхательные цепи
содержат большое число FeS-центров. В митохондриальной
электронтранспортной цепи функционирует, вероятно, около дюжины
таких белков. В зависимости от строения FeS-центры могут
осуществлять одновременный перенос 1 или 2 электронов, что
связано с изменением валентности атомов железа.
Хиноны — жирорастворимые соединения, имеющие
длинный терпеноидный "хвост", связанный с хиноидным
ядром, способным к обратимому окислению — восстановлению
путем присоединения 2 атомов водорода.
Наиболее распространен убихинон, функционирующий в дыхательной
цепи на участке между флавопротеинами и цитохромами. В отличие
от остальных электронных переносчиков хиноны не связаны со
специфическими белками. Небольшой фонд убихинона растворен в
липидной фазе мембран.
Цитохромы, принимающие участие на заключительном этапе
цепи переноса электронов, представляют собой группу белков,
содержащих железопорфириновые простетические группы (гемы). С
помощью цитохромов осуществляется перенос электронов, в процессе
которого меняется валентность железа. В митохондриях обнаружено пять цитохромов (b,
c, c1, a, a3), различающихся
между собой спектрами поглощения и
окислительно-восстановительными потенциалами. Различия по этим
параметрам обусловлены белковыми компонентами цитохромов,
природой боковых цепей их порфиринов и способом присоединения
гема к белкам. Конечные цитохромы (a +
a3) передают электроны на молекулярный
кислород, представляя собой собственно цитохромоксидазу, в
реакционном центре которой содержатся помимо двух гемов два
атома меди. Образование воды имеет место при переносе на
молекулу кислорода 4 электронов. Некоторые цитохромоксидазы
осуществляют перенос на O2 только 2 электронов,
следствием чего является возникновение перекиси водорода.
Перекись водорода далее разрушается каталазой или
пероксидазой.

Протонный потенциал и генерация АФК

протонный потенциал митохондрий
Митохондрии обеспечивают всю клеточную жизнь, поскольку служат энергетическими станциями: здесь энергия питательных субстратов запасается в доступной для клетки форме, в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Он синтезируется за счет энергии, высвобождающейся при переносе электронов с атомов водорода, образовавшихся при переработке субстратов, на конечный акцептор - кислород.
Белки, переносящие электроны, встроены во внутреннюю мембрану митохондрий и образуют электрон-транспортную цепь (ЭТЦ). Ее конечный элемент - цитохром с-оксидаза - и передает электроны от цитохрома с на кислород (это клеточное дыхание).
Протоны, оставшиеся после отрыва электронов от атомов водорода, за счет энергии электронного транспорта выталкиваются из матрикса в межмембранное пространство. Возникающая при этом разность концентраций (градиент) ионов Н+ создает мембранный потенциал митохондрий, энергия которого и используется для фосфорилирования аденозиндифосфата (АДФ). Фермент АТФ-синтетаза, катализирующий образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата, представляет собой встроенное во внутреннюю мембрану грибовидное тельце с каналом в центре. Когда ион Н+ прорывается по этому каналу в матрикс, энергия протонного тока идет на синтез АТФ. Других путей возвращения в матрикс у протона нет, поскольку в нормальном состоянии внутренняя мембрана непроницаема для ионов. Процесс синтеза АТФ за счет энергии переноса электронов называется окислительным фосфорилированием. В матриксе протоны соединяются с кислородом, восстановленным в ходе работы электрон-транспортной цепи, и образуется вода. Но если он восстанавливается не полностью, появляются активные формы кислорода (АФК): супероксидный радикал (О2·–), перекись водорода (Н2О2) и гидроксильный радикал (ОН·). В митохондриях
образование АФК, этого побочного продукта, усиливается при повышении скорости потока электронов, увеличении концентрации кислорода и разобщении дыхания и окислительного фосфорилирования веществами, которые вызывают проницаемость внутренней мембраны.
Согласно теории академика В.П. Скулачева, если в
митохондриях образуется слишком много свободных радикалов, это приводит к гибели митохондрий или мипоптозу. В свою очередь, когда
количество погибших митохондрий слишком велико, запускаются механизмы апоптоза. В настоящее время под руководством академика В.П. Скулачева ведется поиск методов противодействия разрушению
клеточных структур свободными радикалами с помощью препарата SkQ (подробная информация представлена на сайте http://skq-project.ru/ ).

Комментарии

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter