Жизнь без старости

Основным источником энергии для жизни на Земле является энергия солнечного света. Такие автотрофные организмы, как цианобактерии и растения, используют энергию квантов света для осуществления двух одновременно протекающих процессов, а именно — для запасания энергии в виде трансмембранной разницы электрохимического протонного потенциала (с последующим ее преобразованием в АТФ) и для разложения воды и переноса полученных электронов на NADP+. В ходе последнего процесса также запасается значительное количество энергии, но уже в виде разности окислительновосстановительных потенциалов, так как редокс-потенциал пары NADP+/NADPH (E0'= -320 мВ) значительно более отрицателен по сравнению с парой О₂/Н₂О (E0'= +820 мВ). Образованные в ходе фотосинтеза АТФ и NADPH используются для превращения углекислого газа в углеводы и далее для синтеза белков, жиров, нуклеиновых кислот, т. е. всех компонентов, необходимых для построения клетки. Гетеротрофные организмы не способны напрямую использовать энергию света, и поэтому основным доступным для них источником является энергия, накопленная растениями прежде всего в виде углеводов. По существу они обращают реакции фотосинтеза. При этом сначала окисляются углеродные атомы углеводов, жирных кислот и аминокислот до СО₂ (гликолиз и цикл Кребса и β-окисление жирных кислот), а полученные таким образом электроны используются для образования NADH. Далее NADH окисляется молекулярным кислородом с образованием воды. NADH-оксидазная реакция сопровождается выделением очень большого количества свободной энергии (порядка 1,1 электрон-вольта при переносе одного электрона с NADH на кислород), которая может быть запасена дыхательной цепью в виде трансмембранной разности электрохимических потенциалов ионов H+. Величина протон-движущей силы на биологических мембранах обычно составляет около 200 мВ, так как при больших величинах электрического потенциала возможен пробой липидного бислоя и утрата запасенной энергии. Показано, что запасание энергии NADH-оксидазной реакции осуществляется путем переноса электрона с NADH на кислород, сопряженного с транслокацией пяти протонов через мембрану. При этом NADH-оксидазная реакция разбита на несколько этапов (в митохондриях животных и человека таких этапов три). Сначала два электрона с NADH переносятся на убихинон NADH-^Q- редуктазой (комплексом I), затем полученный убихинол окисляется цитохромом с посредством CoQH2-цитoхpом с-редуктазы (комплекса Ьс1, или комплекса III) и в завершение восстановленный цитохром с окисляется молекулярным кислородом под действием цитохромоксидазы (комплекса IV). Активность всех этих трех ферментных комплексов сопряжена с генерацией протонного потенциала.

Как показано на рис. П-3.1, последовательность реакций дыхательной цепи начинается окислением NADH. В процессе участвует несколько редокс-центров NADH-CoQ-редуктазного комплекса: FMN и группа [Fe-S] кластеров. NADH-CoQ-редуктаза восстанавливает C0Q.

Полученный C0QH2 окисляется системой Q-цикла, включающей [Fe-S] кластер комплекса III (Fe-SIII Риске), цитохром с1 и два гема цитохрома b (высокопотенциальный Ьн и низкопотенциальный Ьь).

^{Рис. П-3.1. Схема дыхательной цепи митохондрий человека. Ингибиторы ферментов дыхательной цепи показаны красным цветом [444].}

Непосредственным акцептором электронов для C0QH2 служит Fe-SIII. От Fe-SIII электроны поступают на цитохром cl и далее на цитохром с. Последний используется как восстановитель конечного фермента дыхательной цепи — цитохромоксидазы, имеющей в своем составе два гема (а и аз) и три атома меди. Цитохромоксидаза восстанавливает кислород до воды. Процесс окисления одной молекулы NADH кислородом сопряжен с переносом 10 протонов из митохондриального матрикса (у бактерий — из цитоплазмы) в межмембранное пространство митохондрий (у грамотрицательных бактерий — в периплазму, а у грамположительных — во внешнюю среду). Образованный мембранный потенциал далее расходуется на синтез АТФ при помощи так называемого комплекса V (протонной АТФ-синтазы) либо на совершение некоторых других типов полезной работы.