юрин физиология растений

Комплекс III переносит электроны восстановленного убихинона к цитохрому ñ1, т. е. функционирует как убихинон — цитохром ñ-оксидоредуктаза. В своем составе он содержит цитохромы b556, b560, ñ1 и железосерный белок Риске. По структуре и функции он подобен цитохромному комплексу b6 — f тилакоидов хлоропластов. В присутствии убихинона комплекс III осуществляет активный трансмембранный перенос протонов.

 комплексе IV электроны переносятся от цитохрома ñ к кислороду, т. е. этот комплекс является цитохромом ñ-кислород- оксидоредуктазой (цитохромоксидаза). В его состав входят четыре редокс-компонента: цитохромы à, à3 и два атома меди. Цитохром à3 è Cu способны взаимодействовать с О2, на который передают электроны от цитохрома à — CuÀ. Транспорт электронов через комплекс IV связан с активным переносом Н . Взаимодействие цитохрома à3 — Cu ñ Î2 подавляется цианидом, азидом и СО.

Âпоследнее время показано, что комплексы I, III и IV пересекают внутреннюю мембрану митохондрий.

Все компоненты цепи, за исключением убихинона, представляют собой белки с характерными простетическими группами.

Âсостав цепи входят белки трех типов:

флавопротеины, содержащие в качестве простетической группы флавинмононуклеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД);

цитохромы, содержащие в качестве простетической группы гемы;

железосеропротеины, в которых простетическая группа состоит из негемового железа, связанного комплексно с неорганиче- ской серой или серой цистеина.

Убихинон — липид, который состоит из бензохинона и длинной гидрофобной изопреноидной боковой цепи (см. табл. 3.1).

Компоненты ЭТЦ также классифицируют как переносчиков электронов или переносчиков водорода в зависимости от функции, которую они выполняют. Поскольку назначение цепи переносчиков электронов — перемещать (или содействовать передаче) электроны от высокоэнергетического восстановителя к кислороду, все компоненты цепи должны быть переносчиками электро-

нов. Однако некоторые из них совместно с электронами переносят и протон (Н ); эти соединения называют переносчиками водорода (это сделано, чтобы отличать их от переносчиков e, которые перемещают только электроны).

Кроме этого, очень важно знать, к каким переносчикам относится компонент — к одноили двухэлектронным окислитель-

182

но-восстановительным соединениям. В одноэлектронных соединениях окисленная и восстановленная формы отличаются на один электрон; они принимают только один электрон при преобразованиях окисленной формы в восстановленную и отдают один электрон в обратной реакции. У двухэлектронных переносчиков окисленное и восстановленное положения отличаются на два электрона. Флавопротеины и убихинон являются двухэлектронными ОВ-со- единениями; цитохром — одноэлектронное соединение. Классификация железосерных белков не такая простая, но, вероятно, их правильнее рассматривать как одноэлектронные ОВ-соединения.

В дыхательной цепи происходит перенос электронной пары по термодинамическому потенциалу на кислород. Перемещается пара электронов, поскольку оба агента НАДН и сукцинат являются двухэлектронными ОВ-системами. Это значит, что при окислении НАДН и сукцината до НАД и фумарата соответственно в цепь переноса электронов входит два электрона. Эти два электрона затем передаются по цепи компонентов с уменьшающимся электрическим потенциалом, пока не достигнут последнего компонента цепи цитохромоксидазы. Цитохромоксидаза (Öèò à

èÖèò à3) использует эти два e совместно с протонами для восстановления одного атома кислорода до одной молекулы воды. Таким образом, каждый компонент цепи взаимодействует одновременно с двумя электронами. Поэтому для переноса пары e, полу- ченной одной молекулой убихинона к одному атому кислорода, необходимы две молекулы каждого из цитохромов (они функционируют парами). Работа ЭТЦ представлена на рис. 3.6.

Пируват, изоцитрат, -кетоглутарат, малат окисляются с помощью дегидрогеназы коферментом, которым является НАД . Окисление НАДН происходит с помощью НАДН-дегидрогеназы, которая является флавопротеидом; роль простетической группы выполняет ФМН. Протон, который отщепляется от НАДН, переносится с внут-

ренней стороны мембраны на внешнею (ФМНН2), а электроны передаются на убихинон Q. Q, получивший электроны, заряжается отрицательно, захватывает протоны со стороны стромы митохондрии

èдиффундирует в форме QН2 к цитохрому b. На внешней стороне мембраны QН2 окисляется и отдает электроны цитохрому b, а протон — в межмембранное пространство митохондрии. Через FeSR

электрон передается цитохрому ñ1. Считают, что цитохром ñ1, полу- чивший электрон, также захватывает ион Н со стромы митохондрии и передает e цитохрому ñ, а Н выбрасывается в межмембранное пространство. В конце ЭТЦ находится цитохромоксидаза, состоящая из Öèò à è Öèò à3 и катализирующая перенос электронов на

183

Ðèñ. 3.6. Схема функционирования электрон-транспортной цепи в мембране митохондрий

кислород воздуха. Когда окисляющим субстратом служит сукцинат, тогда водород переносится на ФАД, а затем на Q.

Таким образом, электрон переходит через цепь ферментов, спускаясь на более низкий энергетический уровень до тех пор, пока не акцептируется молекулярным кислородом. Следовательно, движущей силой транспорта электронов является разность ОВпотенциалов — от –0,5 у дыхательного субстрата и до 0,82 В у кислорода воздуха.

Когда при окислении дыхательного субстрата образуется НАДФН, то он окисляется до НАДФ и дальше транспорт электронов идет так же, как и при образовании НАДН.

Рассмотренный механизм работы ЭТЦ подтверждает два положения теории В. И. Палладина: ферменты работают в клетке не «врассыпную», а образуют системы; кислород воздуха нужен только для окисления ферментов, а не дыхательного субстрата.

На этапах транспорта от одного переносчика к другому передаются совместно протоны и электроны, на других — только электроны. В последнем случае происходит разделение зарядов: Н Н ç. В результате присоединения электронов, передаваемых по дыхательной цепи, и протонов из внешней водной среды к кислороду воздуха, образуется новая молекула воды: 4Н 4ç Î2 2Í2Î.

184

Эта вода получила название метаболической. В таких растениях, как суккуленты, выдерживающих засуху благодаря запасанию воды в тканях листьев или стеблей, она играет важную роль в водном балансе организма.

Для функционирования ЭТЦ необходима упорядоченность и тесная упаковка молекул. Нарушение в какой-нибудь точке ЭТЦ полностью блокирует транспорт электронов.

Дыхательная ЭТЦ служит для передачи электронов от восстановленных субстратов на кислород, что сопровождается трансмембранным переносом ионов Н . Таким образом, ЭТЦ митохондрий (как и тилакоидов) выполняет функцию окислительно-вос- становительной Н -помпы.

Особенностью растительных митохондрий от митохондрий животных является способность окислять экзогенный НАДН, т. е. НАДН, который поступает из цитоплазмы (рис. 3.7).

Ðèñ. 3.7. Терминальная цепь переноса электронов в митохондриях:

1, 2, 3 — пункты запасания свободной энергии

185

Это окисление происходит, по меньшей мере, двумя флавинами и НАДН-дегидрогеназами, одна из которых локализована на внешней стороне внутренней мембраны митохондрий, а другая — на внутренней стороне. Первая из них передает электроны в ЭТЦ митохондрий на убихинон (УХ), а вторая на цитохром ñ.

Для функционирования НАДН-дегидрогеназы на внутренней стороне внутренней мембраны необходимо присутствие кальция.

3.8. Цианидустойчивое дыхание растений

Существенное отличие растительных митохондрий заключается и в том, что во внутренней мембране, наряду с широко распространенным цитохромным путем переноса электронов по ЭТЦ, может функционировать альтернативный, устойчивый к действию цианида транспорт электронов. В этом случае поток электронов обходит комплексы III и IV переносчиков ЭТЦ, где транспорт электронов сопряжен с активным транспортом протонов и фосфорилированием. В результате отношения Ф : О эффективность дыхания значительно снижается. Альтернативный путь характерен практи- чески для всех видов растений.

Такая особенность дыхания растений объясняется тем, что во внутренней мембране растительных митохондрий функционирует альтернативная цианидустойчивая оксидаза, которая обеспе- чивает передачу электронов от убихинона на кислород с образованием Н2О. Этот процесс специфически угнетается рядом соединений, к которым относится, например, салицилгидроксамовая кислота. Когда электроны от убихинона попадают на кислород, то пропускается два участка электрон-транспортной цепи (комплексы III и IV), на которых была бы возможна генерация энергии (вначале в виде протонного градиента, а затем и АТФ). Поэтому происходит рассеивание энергии в виде тепла. Чувствительность альтернативной цианидустойчивой оксидазы к кислороду несколько ниже, чем у цитохромоксидазы.

Альтернативная оксидаза представляет собой интегральный мембранный белок, состоящий из двух идентичных субъединиц, с молекулярной массой каждой 35,5 и 37,0 кДа. Регулирование активности этого фермента осуществляется путем образования (димерная форма) или расщепления (мономерная форма) дисульфидного мостика между мономерами:

186

R-SH ÍS-R R – S – S – R 2Í .

Мономер Мономер

Димер

У многих цветков перед образованием пыльцы наблюдается быстрое повышение активности этого фермента. Это приводит к резкому возрастанию температуры тканей цветка, которая, например у Sauromatum guttàtum, достигает 25 îС. Одновременно активируется синтез салициловой кислоты, а также определенных аминов и индольных соединений, которые служат аттрактантами для насекомых-опылителей. Такие условия могут поддерживаться до 7 ч. Повышение температуры характерно для соцветий и цветков многих видов ароидных.

Физиологическая роль этого пути не совсем ясна. По мнению Г. Ламберса (1985) альтернативный путь служит в качестве «клапана» сброса избытка энергии в растении, особенно для тех органов, куда поступают ассимиляты с высоким отношением С : N и где невозможно хранить избыточное количество углеводов, например в корнях. Альтернативный путь действует тогда, когда поступление ассимилятов превышает спрос и скорость переноса электронов на убихинон превосходит способность цитохромного пути транспорта электронов или последний насыщен.

Однако оценить вклад альтернативного пути в общее дыхание сложно, поскольку установлены факты переключения переноса электронов с альтернативного на цитохромный путь и обратно.

Считается, что альтернативная цианидустойчивая оксидаза активируется при стрессовых воздействиях, которые повреждают работу основной электрон-транспортной цепи митохондрий.

Еще одной характерной особенностью митохондрий растительных клеток, в отличие от животных, является наличие маликэнзима, который катализирует окислительное декарбоксилирование малата:

Пируват далее окисляется в цикле Кребса, а НАДН — в электрон-транспортной цепи. Таким образом, растительные митохондрии способны окислять через цикл Кребса не только образующийся в гликолизе пируват, но и транспортируемый из цитоплазмы малат.

187

3.9. Немитохондриальные электрон0транспортные цепи растительной клетки

У растений, как и у других организмов, действуют системы окисления восстановленных пиридин- и флавиннуклеотидов не только с помощью терминальных оксидаз митохондрий, но и в редокс-цепях эндоплазматического ретикулума, плазмалеммы и цитоплазмы. В процессах окисления, катализируемых немитохондриальными оксидазами, не происходит образование АТФ. К таким оксидазам относятся, например, Сu-содержащие ферменты — аскорбатоксидаза и полифенолоксидаза. Сu-содержа- щие оксидазы способны восстанавливать оба атома молекулярного кислорода до Н2О, чем напоминают цитохром-ñ-оксидазный комплекс, который также содержит медь. Однако они не содержат железа.

Аскорбатоксидазная система в растительных клетках осуществляет окисление аскорбиновой кислоты в дегидроаскорбиновую. Функционирование этой системы обеспечивает также окисление таких субстратов, как НАД(Ф)Н, восстановленная форма глутатиона и аскорбиновая кислота.

Полифенолоксидаза окисляет фенольные соединения (моно-, ди- и трифенолы) с образованием соответствующих хинонов. Именно активностью полифенолоксидазы объясняется потемнение поверхности разрезанного яблока или картофельного клубня, поскольку при ранениях растительных тканей этот фермент превращает фенолы в токсичные для патогенов хиноны, что препятствует распространению инфекции. Полифенолоксидаза участвует в окислении полифенолов и дубильных веществ, происходящем при скручивании и завяливании чайного листа, ее действием объясняется также потемнение плодов при сушке. Активность полифенолоксидазы возрастает в период старения тканей.

Свойство аутооксидабельности, т. е. прямого окисления кислородом, присуще лишь немногим органическим соединениям. Восстановленные флавины доступны быстрому прямому окислению молекулярным О2. НАДН и НАДФН самопроизвольно кислородом не окисляются. «Самоокисляемость» позволяет флавинам некоторых ферментов переносить электроны непосредственно к О2, а также создает основу для функционирования флавинов в реакциях гидроксилирования. В цитоплазме растительных клеток

188

функционируют флавопротеиновые оксидазы, которые реагируют с О2, образуя Н2Î2.

Системы терминальных оксидаз в растениях (цитохромоксидаза, альтернативная оксидаза, аскорбатоксидаза, полифенолоксидаза, флавопротеиноксидаза) различаются по чувствительности к изменению парциального давления кислорода и температуры. Комплекс цитохромоксидаза обладает высоким сродством к О2 и поэтому активно функционирует при низком парциальном давлении кислорода. Однако его активность сильно меняется при колебаниях температуры. Флавопротеиноксидазы меньше зависят от температуры, но имеют более низкое сродство к О2. Полифенолоксидаза и аскорбатоксидаза занимают по этим характеристикам промежуточное положение.

Âмембранах эндоплазматического ретикулума растительных клеток найдены электрон-транспортные цепи, в которых проявляется активность монооксигеназ. Используя восстанови-

тели (НАДН или НАДФН) и цитохром b5, они осуществляют реакцию десатурации — образования ненасыщенных жирных кислот из насыщенных:

Âдругой редокс-цепи цитохром Р450, используя кислород, осуществляет реакцию гидроксилирования различных соединений:

Процесс гидроксилирования необходим для синтеза некоторых соединений, детоксикации ряда вредных метаболитов, которые теряют свою активность, и, наконец, для превращения не растворимых в воде веществ в растворимые.

189

В плазматической мембране есть редокс-цепь, которая окисляет НАДФH и передает электроны через цитохром b559, превращая его в супероксид-радикал. Эта НАДФH-оксидаза играет защитную роль в реакции сверхчувствительности при повреждении растительных клеток патогенами.

3.10. Митохондрия как органелла синтеза АТФ

Строение митохондрий уже рассматривалось. Мембраны митохондрий состоят из белков (65—70 % сухой массы) и фосфолипидов и имеют полное соответствие со структурой универсальной мембраны.

На внешней мембране митохондрий расположены ферменты гликолиза, в матриксе — ферменты цикла Кребса и ферменты, катализирующие окисление жирных кислот. Из размещения ферментов можно заключить, что основная функция митохондрий — преобразование энергии сложных органических веществ в энергию макроэргических связей АТФ. Однако если все реакции фотосинтеза главным образом сосредоточены в хлоропластах, то разные этапы процесса дыхания происходят в разных частях клетки: в гиалоплазме, на эндоплазматическом ретикулуме, в ядрах и митохондриях. В связи с этим мембраны митохондрий легко проницаемы для большей части малых молекул и ионов. Например, пировиноградная кислота, образующаяся при разрушении глюкозы в гиалоплазме, легко проходит в митохондрию, где разрушается до СО2

èводы в цикле Кребса.

Âклетках зеленых растений обычно меньше митохондрий, чем в клетках животных, так как синтез АТФ идет и в хлоропластах.

Митохондрия, как и хлоропласт, является органеллой, имеющей все свойства живой материи для обмена веществ и энергией, движения, роста, размножения, раздражения, адаптации и т. д. Митохондрии могут размножаться делением с помощью перетяжки и образуются из инициальных частиц мембраны митохондрий путем «почкования». Инициальная частица быстро растет, а ее внутренняя мембрана образует маленькие складочки, расположенные перпендикулярно поверхности частицы. На этой стадии образования их уже называют промитохондриями. Промитохондрии быстро увеличиваются в объеме, складки внутренней мембраны дифференцируют в кристы. На этом формирование митохондрий заканчивается.

190

Как и хлоропласты, митохондрии двигаются. Они собираются обычно в той части клетки, где в данное время требуется больше энергии. Например, при поглощении воды корневым волоскам митохондрии подходят к плазматической мембране, при делении ядра — к ядру.

Âзеленых клетках растений митохондрии размещаются около хлоропластов. На поверхности хлоропластов иногда образуются выпячивания, с помощью которых хлоропласты могут соединяться с митохондриями. Это говорит о том, что в зеленых клетках растений фотосинтез и дыхание происходят согласованно.

Âстроении митохондрий и хлоропластов много общего. Так, обе органеллы окружены двумя мембранами, причем за счет выпячивания внутренней мембраны в матриксе в митохондриях образуются кристы, а в хлоропластах — тилакоиды стромы. В митохондриях содержится особая ДНК, молекула которой имеет форму кольца. Такая ДНК характерна для бактерий.

Таким образом, в митохондриях имеются все предпосылки, как структурные, так и функциональные, для осуществления процессов, связанных с запасанием энергии.

Окислительное фосфорилирование

На протяжении многих лет усилия исследователей были направлены на выявление механизма, с помощью которого энергия, выделяемая при переносе электронов, используется на синтез АТФ (фосфорилирование АДФ).

Были предложены три гипотезы: химического и конформационного сопряжений и хемиосмотическая гипотеза. Наибольшее распространение получила последняя, которую предложил в 1961 г. П. Митчелл. Эта гипотеза постулирует, что свободная энергия, которая образуется ОВ-реакциями цепи переноса электронов, используется не для генерации высокоэнергетического соединения или высокоэнергетической конформации молекулы, а идет на создание высокоэнергетического состояния в форме электрохимического градиента ионов Н на внутренней митохондриальной мембране. В соответствии с теорией Митчелла протоны проходят из митохондриального матрикса во внешнее митохондриальное пространство, тогда как электроны от НАДН идут на ЭТЦ, встроенную в митохондриальную мембрану. Каждая пара электронов пересекает мембрану три раза, когда передается с одного переносчика к другому и в конечном счете к О2 (ðèñ. 3.8).

191