Характеристика преобразования энергии в биомембранах

Дыхание – это основной процесс преобразования энергии в эукариотических клетках, который происходит в митохондриях. Пять мембранных ферментов составляют систему окислительного фосфорилирования (OXPHOS), расположенную во внутренней митохондриальной мембране. Четыре из пяти белковых комплексов составляют «дыхательную цепь» и участвуют в переносе электронов, который в трех точках связан с перемещением протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану. Полученный протонный градиент используется комплексом АТФ-синтазы для фосфорилирования ADR. Комплекс I (или НАДН-дегидрогеназа) является основной точкой входа электронов в дыхательную цепь. Комплекс II (сукцинатдегидрогеназа) представляет собой еще одну точку входа для электронов в дыхательную цепь, которая переносит электроны от сукцината на убихинон и напрямую связывает цикл Кребса с дыхательной цепью. Этот электронный перенос не связан с перемещением протонов через мембрану. Центральным компонентом системы OXPHOS является цитохром с редуктаза или комплекс III, который функционирует как димер. Он переносит электроны от восстановленного убихинона (убихинола) к цитохрому с, небольшому переносчику мобильных электронов, связанному с внешней поверхностью внутренней мембраны. Комплекс IV (цитохром с оксидаза) является последним комплексом дыхательной цепи и описывается как мономер при солюбилизации внутренней митохондриальной мембраны мягкими детергентами, но образует димер в кристаллах белка. Цитохром с оксидаза катализирует перенос электронов от цитохрома с к молекулярному кислороду, восстанавливая последний до воды. Комплекс V (АТФ-синтаза) использует полученный протонный градиент для синтеза АТФ.
Долгое время модель «жидкого состояния» использовалась для описания организации системы OXPHOS. Согласно этой модели комплексы дыхательной (респираторной) цепи свободно диффундируют в мембране, а перенос электронов происходит в результате случайных хаотических столкновений. Эта модель основана на том факте, что все индивидуальные белковые комплексы системы OXPHOS могут быть изолированы при сохранении ферментативной активности.В последнее десятилетие появляется всё больше доказательств, которые указывают на стабильные взаимодействия OXPHOS комплексов в форме суперкомплексов: 1) эксперименты, указывающие на точный контроль метаболических потоков, доказывают, что респираторная цепь предстарляет собой одну функциональную единицу; 2) точечные мутации гднов, кодирующих субъединицы одного комплекса OXPHOS, влияют на стабильность другого комплекса OXPHOS; З) суперкомплексы можно разделить с помощью нативного электрофореза (PAGE); 4) методом электронной микроскопии можно выявить тонкие взаимодействия комплексов OXPHOS в дыхательных суперкомплексах. Предполагают, что суперкомплексы OXPHOS и единичные комплекёы сосуществуют во внутренней митохондриальной мембране. Более того, ассоциация комплексов OXPHOS в суперкомплексы и диссоциация суперкомплексов на OXPHOS комплексы, как полагают, являются динамическим процессом, который зависит от физиологического состояния клетки. Комплекс II никогда • не входит в суперкомплексы, как показывают данные нативного электрофореза или электронной микроскопии. Димеризация АТР-синтазы существенна для морфологии крист. Последние исследования митохондрий быка и крысы показывают, что АТР-синтаза в митохондриальных мембранах организована в длинные ленты димеров, и кристы митохондрий действуют как ловушки (traps) протонов, а АТРсинтаза может оптимизировать свою активность при недостатке протонов.
В митохондриях млекопитающих почти весь комплекс I связан с комплексом III, а частично комплекс IV является частью комплекса I – III – IV суперкомплекса. Возможные преимущества этого комплекса: формирование каналов, прямая доставка субстратов (сокращение времени диффузии промежуточных продуктов, хинонов и цитохрома с), выраженное повышение каталитической эффективности, ограничение образования реакционноспособных промежуточных продуктов, активных форм кислорода (АФК), ускорение реакций внутримолекулярного переноса групп. Это позволяет направлять промежуточный продукт реакции на конкретный фермент без диффузии в среду. Основным преимуществом каналирования субстратов является использование локализованных молекул субстрата, что делает реакцию независимой от свойств среды. Полученные данные о взаимодействии комплексов мускохондрий крупного рогатого скота позволили представить модель сети комплексов дыхательной цепи, получившей название респирасома.
Нарушения структуры и функции митохондрий представляют собой ключевой этап в развитии многих патологических состояний (рис. 2). Супероксианион-радикалы, генерируемые дыхательной цепью митохондрий, представляют собой основной источник окислительного повреждения в клетке, что, в свою очередь, может быть наиболее важной причиной нейродегенеративных расстройств, диабетических осложнений и старения. Производство свободных радикалов митохондриями зависит от величины митохондриальной протонодвижущей силы. Мягкая диссоциация и использование внутримитохондриальных антиоксидантов представляют собой многообещающий терапевтический подход к коррекции многих патологических состояний.

1.    Скулачёв, В. П. Законы биоэнергетики / В. П. Скулачёв / / Соросовский Образовательный Журнал. – 1997. – N2 1.– С. 9–14.
2.    Романовский, Ю. М. Молекулярные преобразователи энергии живой клетки. Протонная АТФ-синтаза – вращающийся молекулярный мотор / Ю. М. Романовский, А. Н. Тихонов // Успехи Физических Наук. – 2010. – т. 180. с. 931-956.
З. Скулачёв В. П. Энергетика биологических мембран / В. П. Скулачёв. – М. : Наука, 1989. 564 с.
4.    Mitchell, Р. Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by chemiosmotic type of mechanism / Р. Mitchell // Nature. – 1961. – V. 191. – Р. 144–148.
5.    Green, D. Е. Оп the enzymic mechanism of oxidative phosphorylation / D. Е. Green, Z. Н. Vande // Рос. Natl. Acad. Sci. USA. – 1982. – Vol. 79. – Р. 1064-1068.
6.    Chance, В. The respiratory chain and oxidative phosphorylation / В. Chance, G.R. Williams // Adv. Enzymol. Relat. Subj. Biochem. – 1956. – Vol. 17. – Р. 65–134.
7.    Fernandez-Moran, Н. А macromolecular repeating unit of mitochondrial structure and function correlated electron microscopic and biochemical studies of isolated mitochondria and submitochondrial particles of beef heart muscle / Н. Fernandez-Moran [et al.] // Ј. Сеп Bi01. 1964. – Vol. 22. – Р. 63-100.
8.    Pullman, М. Е. А soluble protein fraction required for coupling phosphorylation to oxidation in submitochondrial fragments of beef heart mitochondria / М. Е. Pullman, Н. Penefsky, Е. Racker // Arch. Biochem. Biophys. – 1958. – Vol. 76. – Р. 227-230.
9.    Boyer, Р. D. АТР synthase–past and future / Р. D. Boyer / / Biochim. Biophys. Acta. 1998. – Vol. 1365. – Р. 3-9.
10.    Mitchell, Р. Stoichiometry of proton translocation through the respiratory chain and adenosine triphosphatase systems of rat liver mitochondria / Р. Mitchell, Ј. Моу1е // Nature. 1965. – Vol. 208. – Р. 147-151.
11.    Mitchell, Р. Estimation 0f membrane potential and РН difference across the cristae тетbrane of rat liver mitochondria / Р. Mitchell, Ј. Moyle // Eur. Ј. Biochem. – 1969. Vol. 7. – Р. 471-484.
12.    Walker, Ј. Е. Structural analysis of АТР synthase from bovine heart mitochondria / Ј. Е. Walker [et al.] // Methods Enzymol. 1995. – Vol. 260. – Р. 163-190.
13.    Darley-Usmar, У. The powerhouse takes control of the cell; the role of mitochondria in signal transduction / V. Darley-Usmar // Free Radic. Biol. Med. 2004. – Vol. 37. Р. 753-754.