Читать онлайн «Происхождение жизни. От туманности до клетки». Страница 61

Устройство электрон-транспортных цепей

Процесс, который биохимики называют «электронный транспорт», представляет собой упорядоченное движение электронов от молекул-восстановителей к молекулам-окислителям. Физик назвал бы это проще: «электрический ток». Мембранные электрохимические процессы в клетках отличаются от электрических явлений неживой природы тем, что в клетках переплетаются два разных электрических тока: ионный и электронный. Для ионов вода – проводник, а мембрана – изолятор, ионные токи направлены поперек мембраны через белковые молекулы. Путь электронов сложнее.

Привычный нам электрический ток – это движение электронов в металлических проводниках и полупроводниковых кристаллах. В клетках нет металлических проводов, но есть молекулы, выполняющие их функцию внутри больших белковых комплексов. Один из двух типов биологических «проводов» строится из гемов – плоских квадратных молекул с богатой системой двойных связей с атомом железа в центре (рис. 15.10). Гем известен в первую очередь как связывающая кислород «деталь» белка гемоглобина, придающая красный цвет нашей крови. Но в клетках есть множество видов других гем-содержащих белков, цитохромов, которые участвуют в переносе электронов. Цитохромы в составе комплексов электрон-транспортных цепей содержат по несколько гемов, прилегающих друг к другу краями. Цепочка гемов проводит электрический ток за счет подвижных электронов в двойных связях молекул. Ближайшим искусственным аналогом такого проводника является графен (слой графита толщиной в один атом). Второй тип внутрибелковых проводов строится из железосерных кластеров, обычно 4Fe-4S, которые подобны наночастицам полупроводящего минерала пирита (FeS2).

Для переноса электронов через воду нет другого пути, кроме как вместе с ионами. Например, хорошие переносчики получаются на основе металлов переменной валентности – железа и меди. В дыхательной цепи участвует цитохром c – маленький белок с одним гемом, который переносит электрон благодаря окислению и восстановлению атома железа в геме. В электрон-транспортной цепи фотосинтеза есть другой маленький подвижный белок, пластоцианин, который содержит медь.

Кроме металлов электроны могут переноситься через воду в комплекте с протонами, образуя атомы водорода. Мы уже много раз упоминали молекулы-переносчики водорода – НАД и ФАД. В мембранах есть аналогичные жирорастворимые переносчики – хиноны. Электроны попадают в дыхательную цепь клеток человека и животных в основном на НАД. Первый комплекс дыхательной цепи, НАДН-дегидрогеназа, принимает атомы водорода от восстановленного НАДН, после чего эти атомы водорода разделяются на части: электроны по железосерным проводам уходят на другую сторону белкового комплекса, а протоны просто выбрасываются в воду.

Если для ионного тока в клетке легко указать направление – поперек мембраны, то путь электронного тока описывается сложнее. Можно указать химический состав «плюса» и «минуса» его батарейки (в клетках человека это в основном кислород и НАДН), но оба полюса распределены в объеме клетки. В клеточной электрической цепи на пути от «плюса» к «минусу» чередуются большие неподвижные комплексы дыхательной цепи и маленькие подвижные переносчики. Мы можем указать только порядок молекул, между которыми по цепочке перемещаются электроны. Первый комплекс (НАДН-дегидрогеназа) имеет «разъемы» (сайты связывания) для НАДН и для хинона. Третий комплекс (цитохром bc1) имеет сайты связывания для хинона и подвижного цитохрома с. Наконец, четвертый комплекс (цитохром-с-оксидаза) имеет сайты связывания для цитохрома с и кислорода. Второй номер в этой нумерации достался вспомогательному комплексу, окисляющему янтарную кислоту и отдающему электроны на хинон. В электрической цепи он подключен параллельно первому комплексу.

Встречи больших неподвижных комплексов и маленьких подвижных переносчиков происходят благодаря тепловому движению молекул. Каждую секунду каждый комплекс дыхательной цепи сотни раз контактирует с молекулами-переносчиками электронов всех типов, какие только есть в клетке. Представьте себе электрическую цепь, в которой все соединительные провода много раз в секунду выдергиваются из своих разъемов и тыкаются обратно во все разъемы подряд. Примерно так работают электрические цепи в клетках.

Чтобы не произошло «короткого замыкания» (переноса электронов с НАДН на кислород напрямую, мимо всех или части комплексов дыхательной цепи), разные комплексы дыхательной цепи должны иметь разные, несовместимые «разъемы» под разные переносчики. Кроме того, эти «разъемы» по-разному расположены относительно мембраны: сайты связывания НАДН находятся на внутренней стороне белковых комплексов, сайты для хинона – в толще мембраны, а для цитохрома с – на внешней стороне комплексов дыхательной цепи. Цитохромные и железосерные провода обычно имеют длину порядка толщины мембраны – 10 нм. Однако бактерии семейства Desulfobulbaceae из тех же деталей строят провода вполне солидных размеров – до 1,5 см в длину. Эти нитчатые бактерии населяют морское дно и получают энергию, окисляя сероводород кислородом. Цепочки цитохромов на поверхности соседних клеток, соединенных в длинную нить, точно состыкованы друг с другом и проводят электроны по всей длине нити, позволяя бактериям использовать кислород из воды, а сероводород – из глубины осадка (Pfeffer, 2012).

Решающее преимущество, благодаря которому протонная энергетика сильно потеснила натриевую в живом мире, – ее универсальность. Она обеспечивается тем, что для протонов (но не для ионов натрия) есть механизм переноса через мембрану, который стыкуется практически с любой окислительно-восстановительной реакцией. Он называется Q-цикл, по главной действующей молекуле – коферменту Q, или убихинону (да, это то самое вещество Q10, которое добавляют в косметику). Молекулы убихинона гидрофобны и находятся в мембранах. Кроме того, хинонное кольцо убихинона может легко присоединять и отдавать два электрона или атома водорода (рис. 15.10).

В простейшем варианте Q-цикла перенос протонов происходит за счет того, что один комплекс дыхательной цепи, отдающий электроны на хинон, имеет сайт связывания хинона на внутренней стороне мембраны, а другой, принимающий электроны, – на наружной стороне (рис. 15.11). Хинон может пройти через мембрану, только когда его электрический заряд равен нулю. Иначе говоря, в комплекте с электронами должны быть связаны протоны. Поэтому хинон присоединяет два протона из воды внутри клетки и отдает их в воду снаружи. Ни сам хинон, ни хинон-связывающие сайты ферментов не связаны непосредственно с окислителем и восстановителем, электроны проходят от восстановителя к хинону и от хинона к окислителю по внутрибелковым «проводам» из гемов или железосерных кластеров, никаких движений белковых молекул не требуется. В этой независимости и кроется секрет универсальности убихинонного цикла. Натриевые же насосы вынуждены использовать движения частей белковой молекулы для переноса ионов через мембрану и поэтому труднее перестраиваются на другие реакции.

Подводим итоги: общий предок бактерий и архей имел примитивные мембраны, вероятнее всего, с однохвостыми липидами из терпенового спирта и полярной головки, без глицерола. Эти мембраны пропускали протоны и ионы металлов, но задерживали белки и РНК, поэтому для управляемого выделения белков во внешнюю среду возникли системы секреции. После разделения линий бактерий и архей у них независимо возникли мембраны из липидов с двумя гидрофобными хвостами, непроницаемые для ионов металлов. Выход из исходных геотермальных водоемов в моря с их высокой концентрацией натрия потребовал создания систем откачки натрия из клеток. Так появились натриевые насосы, использующие энергию разных химических реакций. Один из насосов получился из системы секреции белка, в которой застрял секретируемый продукт, превратив ее в роторную Na-движущую АТФазу, и она стала откачивать натрий за счет гидролиза АТФ. Это событие могло произойти два раза независимо в линиях бактерий и архей и дать F– и A/V семейства роторных АТФаз.

Далее горизонтальный перенос генов совместил в одной клетке разные натриевые насосы, в том числе такие, которые создавали больший потенциал, чем роторная АТФаза (рис. 15.12). В этих условиях пригодилось то, что роторная АТФаза обратима: она стала впускать натрий внутрь клетки с синтезом АТФ, и создаваемый химическими насосами натриевый потенциал начал частично расходоваться на синтез АТФ (если взять два разных электрических генератора и соединить их проводами, то тот из них, который давал меньшее напряжение, станет работать электродвигателем).