Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
же одиночные молекулы воды, которые образуют «мостики» между полярными группами [111].
При взаимодействии субъединиц конканавалина А (белка, специфически связывающегося с мембранами микроорганизмов) в области контакта субъединиц возникает 14 водородных связей, большая часть которых входит в состав антипарал-лельной p-структуры, переходящей из одной субъединицы в другую [110]. Аналогичная p-структура возникает, например, при димеризации ферментов цитратсинтетазы [111] и у-химо-трипсина [40]. Во многих других ферментах наблюдается переход p-структур из одной субъединицы в другую. В частности, в обзоре [81] проанализированы контакты дегидрогеназ, представленные именно антипараллельной p-структурой.
Наличие центра симметрии в области контакта связано с еще одной особенностью протомеров — самокомплементарно-стью поверхностей контактов в каждой из взаимодействующих субъединиц. Впервые вопрос о самокомплементарности этих участков был поставлен Моно и сотр. [96]. В последующие годы эта проблема снова стала предметом обсуждения в работе [97]. Самокомплементарность проанализирована авторами в химотрипсине и конканавалине А. Отмечается исключительно важное значение того, что такие сложные структуры как белки обладают поверхностной симметрией. Ее нарушение приводит к невозможности димеризации, например, а,р-цепей гемоглобина человека.
В целом, на основании данного, достаточно беглого обзора, можно сказать, что в литературе имеется более чем достаточно информации об организации надмолекулярных биоструктур. К сожалению, эта информация далеко не всегда эффективно используется биоэнергетиками в своих концептуальных построениях, что будет видно из последующего изложения.
3.2. Механизмы переноса энергии в биоструктурах
3.2.1. Биохимические концепции биоэнергетики
Одним из центральных вопросов биоэнергетики является проблема трансформации энергии, выделяющейся в процессе переноса электронов от субстратов к кислороду в митохондриях (биологическое окисление) или в результате фотолиза воды и переноса электронов на первичные акцепторы (фотосинтез), в энергию макроэргических связей молекул АТР. Эти процессы происходят главным образом в биомембранах, вследствие чего практически все биохимические концепции биоэнергетики связаны с представлениями о биомембранах и мембранных белках.
Хемиосмотическая концепция П. Митчелла. Данная концепция относится к числу наиболее обоснованных и общепризнанных. Согласно работам [88,89,93] система переноса электронов, расположенная в биомембране, создает в ней градиент электрохимического потенциала протонов (Д|хн+), который состоит из двух слагаемых: Д-ф — электрического потенциала, заряжающего мембрану, и А pH — градиента концентрации протонов по обе стороны мембраны. По определению электрохимического потенциала
AuH+=F-Ai|> + 2,3RT-ApH, (3.3)
где F — число Фарадея, R — постоянная Ридберга, Т — абсолютная температура (° К).
Образующийся градиент электрохимического потенциала Дцн+ расходуется на синтез АТР из ADP и Рц. При этом могут быть использованы как Аф, так и ДрН, что определяется конкретными условиями в клетке. В процессе окисления, по Митчеллу, от субстрата переносится 2е~ через мембрану к акцептору, причем 2Н+ субстрата остаются по одну сторону непроницаемой для протонов мембраны, а 2 Н+ по другую сторону мембраны присоединяются из водной фазы к акцептору— кислороду. В дальнейшем перераспределение протонов используется мембранной АТР-синтазой для синтеза АТР. Концепция получила многочисленные подтверждения и на ее основе были предприняты попытки анализировать такие явления как фотосинтез [20], транспорт ионов и метаболитов [22], ферментативный катализ [25]. В работе [23] развивается идея о латеральном распространении Дцн+ вдоль мембраны как универсальной формы переноса энергии, которая существует наряду с менее подвижной формой — АТР. Детальному анализу многочисленной литературы этого направления посвящен ряд обзоров [52, 53, 119], а также монография [16].
Однако основная тенденция последних лет — неудовлетворенность исследователей данной концепцией, ввиду обозначившейся неадекватности ее предсказаний и получаемых экспериментальных данных. Это вызывает необходимость существенной модификации концепции [92,94]. В частности, первоначальная идея о прямом воздействии Д(хц+ на замыкание фос-фодиэфирной макроэргической связи в реакции ADP+Ph-*--*АТР [90] не оправдалась, поскольку реакция идет на ферменте самопроизвольно и не требует затрат энергии [61]. Вместо этого выдвигается идея, что энергия Ацн-г необходима для изменения конформации фермента АТР-синтазы, осуществляющей антипорт молекул ADP+Рн и АТР [92]. Как следует из обзора [119], роль А(ш + по современным данным оказыва-
ется уже не столь необходимой в процессе синтеза АТР и может быть описана схемой,
перенос е- 1 1 зрЕЛТР , (3
tl
AflH*
где квадрат — «закрытый ящик», т. е. такое преобразование структуры белка, которое обеспечивает синтез АТР.
