Дыхательная электротранспортная цепь и окислительное фосфорилирование
Кислород необходим для заключительного этапа дыхательного процесса, связанного с окислением восстановленных коферментов NADH и FADH2 в дыхательной электронтранспортной цепи (ЭТЦ) митохондрий. С переносом электронов по ЭТЦ сопряжен и синтез АТР.
Дыхательная ЭТЦ, локализованная во внутренней мембране митохондрий, служит для передачи электронов от восстановленных субстратов на кислород, что сопровождается трансмембранным переносом ионов Н+. Таким образом, ЭТЦ митохондрий выполняет функцию окислительно-восстановительной Н + -помпы.
Согласно современным данным дыхательная цепь митохондрий включает в себя четыре основных мультиэнзимных комплекса и два небольших по молекулярной массе компонента — убихинон и цитохром с .
Комплекс I осуществляет перенос электронов от NADH к убихинону Q. При встраивании в искусственную фосфолипидную мембрану этот комплекс функционирует как протонная помпа.
Комплекс II катализирует окисление сукцината убихиноном.
Комплекс III переносит электроны от восстановленного убихинона к цитохрому с, т. Е. Функционирует как убихинол: цитохром с-оксидоредуктаза. В присутствии убихинона комплекс III осуществляет активный трансмембранный перенос протонов.
В терминальном комплексе IV электроны переносятся от цитохрома с к кислороду. Транспорт электронов через комплекс IV сопряжен с активным транспортом ионов Н + .
По поводу механизма окислительного фосфорилирования существуют три теории: химическая, механохимическая (конформационная) и хемиосмотическая.
Химическая и механохимическая гипотезы сопряжения.
Согласно химической гипотезе в митохондриях имеются интермедиаторы белковой природы (X, Y, Z), образующие комплексы с соответствующими восстановленными переносчиками. В результате окисления переносчика в комплексе возникает высокоэнергетическая связь. При распаде комплекса к интермедиатору с высокоэнергетической связью присоединяется неорганический фосфат, который затем передается на ADP.
Способность митохондриальных мембран к конформационным изменениям и связь этих изменений со степенью энергизации митохондрий послужила основой для создания механохимических гипотез образования АТР в ходе окислительного фосфорилирования. Согласно этим гипотезам энергия, высвобождающаяся в процессе переноса электронов, непосредственно используется для перевода белков внутренней мембраны митохондрий в новое, богатое энергией конформационное состояние, приводящее к образованию АТР.
Таким образом, согласно механохимическим гипотезам, энергия окисления превращается сначала в механическую энергию, а затем в энергию высокоэнергетической связи АТР. Однако, подобно химической теории сопряжения, механохимические гипотезы также не могут объяснить подкисление митохондриями окружающей среды.
Хемиосмотическая теория сопряжения.
Гипотеза Митчела. Поток электронов через систему молекул-переносчиков сопровождается транспортом ионов Н+ через внутреннюю мембрану митохондрий. В результате на мембране создается электрохимический потенциал ионов Н+, включающий химический, или осмотический, градиент и электрический градиент (мембранный потенциал). Согласно хемиосмотической теории электрохимический трансмембранный потенциал ионов Н+ и является источником энергии для синтеза АТР за счет обращения транспорта ионов Н+ через протонный канал мембранной Н +
-атразы.
Внутриклеточные движения.
Цитоплазма в растительных клетках находится в постоянном движении. На внешние и внутренние воздействия клетки отвечают изменением скорости этого движения. Выделяют несколько типов движения цитоплазмы:
1, колебательное (без упорядоченного перемещения клеточных компонентов, например у спирогиры),
2, циркуляционное (у клеток тычиночных нитей традесканции и других видов с протоплазматическими тяжами, пересекающими вакуоль),
3, ротационное (в клетках с большой центральной вакуолью, например в междоузлиях харовых водорослей), Движение в этих клетках осуществляется вдоль стенок подобно приводному ремню. Слой цитоплазмы, примыкающий к плазмалемме, практически неподвижен. Вдоль его внутренней поверхности скользит подвижный слой цитоплазмы — эндоплазма.
4, фонтанирующее (у клеток с верхушечным ростом, например, у корневых волосков),
5, по типу прилива (в гифах грибов движение происходит рывками по направлению к растущему кончику гифы).
В цитоплазме клеток растений обнаружены немышечные актин и миозин (см. 1.1.2). Движущая сила тока цитоплазмы в клетках нителлы возникает на границе раздела фаз между эктоплазмой (где локализованы микротрубочки), находящейся в состоянии геля, и эндоплазмой в состоянии золя. С помощью электронной микроскопии в этой зоне обнаружены субкортикальные фибриллы, направленные в сторону движения цитоплазмы. Предполагается, что движущую силу цитоплазмы обусловливают и взаимодействия актиновых микрофиламентов с микротрубочками эктоплазмы, связи между которым и воз никают на границе экто- и эндоплазмы.
Движение цитоплазмы осуществляется с затратой энергии АТР и нуждается в присутствии ионов Са2+. Предполагается, что изменения уровня кальция в цитоплазме — важный регулятор структуры сократительных белков. Повышение концентрации Са2+ в цитоплазме (например, при раздражении) приводит к ее обратимой желатинизации (переходу из состояния золя в состояние геля) и прекращению движения. Желатинизация является результатом резкого ускорения полимеризации мономерного актина и образования трехмерной сети микрофила-ментов.
Средняя скорость движения цитоплазмы у разных клеток варьирует от 2 —5 мкм/с в пыльцевых трубках и корневых волосках до 50 мкм/с в междоузлиях нителлы и 1350 мкм/с в плазмодии миксомицетов.
Движение органойдов.
Такие крупные органоиды растительной клетки, как хлоропласты, не только пассивно переносятся с током цитоплазмы, но обладают и автономными движениями. Эту способность можно наблюдать в каплях цитоплазмы, изолированной из клеток нителлы. В каплях нет тока цитоплазмы (из-за отсутствия эктоплазмы), но сохраняется быстрое вращательное движение хлоропластов (1 об/с). Движение хлоропласта с использованием АТР возникает при взаимодействии актина и миозина благодаря изменению угла наклона молекул миозина по отношению к актину (рис. 13.1).