Свободный кислород, эволюция клетки - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Следующее предположение состоит в том, что процесс фосфорилирования сопровождается перераспределением ионов Н+, обратным тому, которое вызывается переносом электронов. По Митчелу,
¦адф+фн
Мембрана
АТф
Рис. 22. Общая схема фосфорилирования (по Скулачеву, 1969); Ав— восстановленная форма вещества; А0 — окисленная форма того же вещества
Рис. 23. Принцип хемиосмотиче-ского сопряжения окисления с фосфорилированием (по Скулачеву, 1972)
синтез одной молекулы АТФ из АДФ и Фн приводит к выделению двух Н+ в матрикс и* поглощению двух Н+ из внемитохондриаль-ного пространства. Тем самым фосфорилирующий механизм использует трансмембранный градиент ионов Н+, создаваемый работой цепи переноса электронов.
При переносе электронов в редокс-цепи возникает не только одностороннее (по отношению к мембране) накопление ионов водорода (химический градиент ионов Н+, или ДрН), но и ориентированное поперек мембраны электрическое поле (избыток положительно заряженных частиц по одну сторону мембраны и отрицательно заряженных частиц по другую ее сторону — электрический градиент Дг|)). Совокупный показатель — электрохимический градиент ионов водорода — обозначается символом Ар,н +-. Перенос электронов в редокс-цепи не единственный способ зарядки мембраны. Поскольку сопрягающий белок (АТФаза) представляет собой фермент обратимого действия, он катализирует не только фосфорилирование АДФ неорганическим фосфатом, но и противоположный процесс — гидролиз АТФ с высвобождением АДФ и Фн. При гидролизе АТФ происходит поляризация мембраны, по знаку аналогичная поляризации, возникающей при переносе электронов в дыхательной цепи (и противоположная таковой при фосфорилиро-
75
вании АДФ). Энергия Ацн+ может быть использована в этом
случае для обратного переноса электронов (против градиента редокс-потенциалов переносчиков), механической работы (вращение бактериальных жгутиков) или осмотической работы (например, для трансмембранного транспорта ионов не по градиенту их концентрации, а по знаку: минус к плюсу или плюс к минусу).
Аналогичным образом заряжают мембрану (в ту или иную сторону) трансгидроге-наза обратимого действия (см. ур. 5 на с. 40) и неорганическая пирофосфатаза (рис. 24).
Мембранный механизм энергетического сопряжения используется как в окислительном (дыхательном), так и в фотосинтетическом фосфорилирований (Mitchell, 1966). Но основной поток электро-
©
2Н3Р04
н4р2о7+н2о
2Н+ АДФ+Н3Р04 АТФ+Н20
2hV
Рис. 24. Генераторы мембранного потенциала в мембранах фотосинтезирующих бактерий (по Скулачеву, 1974); ррр _ неорганическая пирофосфатаза
(фермент, катализлрующий распад неорганического пирофосфата ФФВ ДО стадии ортофосфата Фя и одновременно заряжающий мембрану по типу АТФазного генератора); Fi —каталитический компонент АТФазы; ТГ — трансгидрогеназа; А — первичный акцептор электронов от бакте-риохлорофилла (Бхл); KoQ — хинон; Ь, с, с\ — цитохромы
(см. также сокращения на с. 207)
нов в редокс-цепях хлоропластов (от Н20 к НАДФ+) и митохондрий (от НАД-Н к Н20) разнонаправлен. Это можно сопоставить с тем фактом, что сопрягающие мембраны указанных органелл имеют противоположную ориентацию А[д,н+ (у митохондрий — внутри органеллы знак минус и щелочная среда, у хлоропластов—внутри знак плюс и кислая среда). Различно также расположение относительно поверхности мембраны сопрягающих белков и соответствующих морфологических структур («грибов»):
76
у митохондрий «грибы» расположены на внутренней стороне, а у хлоропластов — на внешней стороне мембран (речь идет о внутренних мембранах и тех и других органелл). «Следовательно, по сравнению с мембранами митохондрий, мембраны хлоропластов как бы вывернуты наизнанку», — замечает Ленинджер (1974, с. 556—557). И это справедливо, хотя если взглянуть на дело с филогенетической точки зрения, правильнее было бы сказать, что «наизнанку вывернуты» скорее мембраны митохондрий.
В основе субстратного фосфорилирования лежат чаще всего реакции переноса групп, связанных с молекулой субстрата макро-эргическими (фосфатными, тиоэфирными и т. п.) связями. Таковы, например, прямо или через ряд промежуточных стадий сопряженные с фосфорилированием реакции превращения фосфоенолпиру-вата в пируват или распада на исходные компоненты ацетил-КоА:
фЕП-
Пируват
АДф
АТф
(19)
Ацетил-КоА-—> КоА + ацетат
АДф АТф (19а)
Изменение стандартной свободной энергии при высвобождении макроэргических связей в таких (высокоэнергетических) соединениях, как ацетил-КоА, ФЕП ,и т. п., оценивается достаточно большой величиной (от —6 до —15 ккал/моль), сопоставимой с расчетной величиной энергии гидролиза АТФ (—7,3 ккал/моль), что и делает возможным сопряжение фосфорилирования с реакциями переноса групп на субстратном уровне.
3
монофилетическая концепция происхождения организмов (органелл),
использующих мембранный механизм
энергетического сопряжения. необходимые теоретические допущения и некоторые предварительные выводы
Концепция, постулирующая единство происхождения, с одной стороны, группы самостоятельно живущих прокариотов (сине-зеленых водорослей, фотосинтезирующих бактерий, аэробных бактерий), а с другой стороны, внутриклеточных органелл эукариот-ной клетки (митохондрий и хлоропластов), должна принять в качестве обязательного по меньшей мере одно из двух допущений: либо предки митохондрий и хлоропластов были некогда свободно-живущими (или паразитирующими) организмами, либо фотосинте-зирующие и аэробные прокариоты (или хотя бы некоторые из них) было некогда внутриклеточными органеллами. Первое допущение, казавшееся фантастичным еще 10 лет тому назад, в настоящее время стало почти общепринятым, чему в немалой степени способствовало широкое признание работ Маргулис (Саган), предложившей современный вариант гипотезы симбиогенеза эукариот-ной клетки (Sagan, 1967; Margulis, 1970) 3l. Более неожиданным может показаться второе допущение, предполагающее возможность «раскрепощения» внутриклеточных органелл и превращения их в самостоятельно,живущие формы.
