Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Дальнейшим развитием хемиосмотической концепции на современном этапе можно считать идею «мозаичного хемиос-моса», развиваемую в работах [138, 139]. Взамен устаревшего, по мысли авторов, представления о делокализованном по всей мембране Дрн+, выдвигается предположение о существовании большого числа независимых локальных протонных доменов, причем каждый из них снабжает протонами одну или несколько электронно-транспортных цепей, которые, в свою очередь связаны с одной или несколькими молекулами АТР-синтаз. Небольшого числа протонов, прокачиваемых через домен, согласно авторам, должно быть достаточно, чтобы генерировать такой величины локальный протонный электрохимический потенциал, который способен обеспечить синтез АТР. Его величина в этом случае будет напрямую зависеть от скорости процессов в электронно-транспортной цепи.
Несмотря на большое число сторонников, хемиосмотичес-кая концепция неоднократно подвергалась и подвергается критике. Ряд критических замечаний был рассмотрен нами ранее [24]. В частности, наиболее существенными нам представляются работы, направленные на анализ ее физических основ. В статье [1], специально написанной для этих целей, применена аналогия работы АТР-сиетазы, использующей Дф и АрН для синтеза АТР, с энтропийными машинами 1 и 2 рода. Показано, что этот фермент не может работать как энтропийная машина 1 рода, использующая кинетическую энергию протонов (ДрН), так как это требует такого разгона протонов, который невозможен в конденсированной фазе. В то же время, из вариантов энтропийных машин 2 рода (концентрационных гальванических элементов), ни один не позволяет в принципе использовать одновременно оба слагаемых Дрн+. На этом основании автор делает вывод, что концепция Митчелла «вряд ли может быть убедительно обоснована. Существование Дт? и ДрН не может служить обоснованием их непосредственного участия в трансформации энергии». По его мнению, энергодо-норные и энергоакцепторные реакции в клетке должны происходить в один акт. На основании собственных эксперимей-
N
тальных данных, автор показал [4], что элементарный акт синтеза АТР из ADP и Рн в энергопреобразующих структурах митохондрий, хлоропластов и хроматофоров не требует наличия замкнутых мембранных везикул, т. е. наличия разделяющей мембраны. Он может осуществляться, в частности, под действием резкого скачка pH вследствие быстрой депротонизации некоторых кислотных групп фактора Fi Н+АТР-азы, в результате которой фермент оказывается в конформационно неравновесном состоянии, и в ходе релаксации этого неравновесного состояния происходит освобождение прочно связанной молекулы АТР в водную фазу.
На основании экспериментальных данных, полученных в лаборатории Д. Грина [57] с использованием препаратов цито-хромоксидазы, содержащей фосфолипиды, и цитохрома с, сделан вывод о прямом сопряжении процесса переноса электронов с переносом катионов (К+, Са2+) и выталкиванием протонов в среду. Таким образом, оспаривается сама возможность непрямого сопряжения через мембранный потенциал. Автор полагает, что принцип непрямого сопряжения несовместим с ферментативной природой энергосопрягающих комплексов.
Необходимо отметить, что в хемиосмотической концепции и ее модификациях имеется ряд неясных моментов, связанных в первую очередь с физическими механизмами переноса зарядов. Например, перенос электронов, по Митчеллу, совершается по системам цитохромов и других негемовых белков, однако, физические механизмы этого процесса не уточняются [89]. При построении различных схем структура многих белков существенно искажается, и не учитываются особенности их надмолекулярной организации, в частности, симметрия в расположении олигомеров [89,92]. В то же время, путь протонов, согласно Митчеллу, проходит вдоль мембраны по водной физиологической среде [89], что критикуется многими исследователями [139, 141]. Важно отметить также, что в схемах Митчелла и его последователей пути электронов и протонов (отметим, что пути эти различны), прокладываются на «пустой структуре» белков и мембран. А ведь к настоящему времени надмолекулярная организация многих мембранных белков, в том числе цитохромов, известна достаточно подробно [116, 128]. Отсутствие тесной связи между хемиосмотической концепцией, механизмами переноса зарядов и структурной организацией белков и вообще биомембран является, на наш взляд, существенным недостатком данной концепции. Само представление о мембранном потенциале является бесструктурным и по сути — лишь отражением физических процессов, происходящих на молекулярном уровне, сущность которых в данной концепции остается не вскрытой.
Концепция «энергизованного» протона Р. Вильямса. В ряде работ f 141, 142] Р. Вильямс развивает концепцию, которая
прямо противостоит теории П. Митчелла. Согласно этой концепции, энергия света или окисления расходуется на разделение зарядов в металлорганических центрах. При этом разделенные заряды — протоны и электроны, по своим специфическим путям движутся вдоль мембраны в гидрофобной среде липидов и белков. Путь для электронов — это электроннотранспортные белки, для протонов — системы водородных связей внутри мембраны, существование которых постулируется автором. Протоны движутся, согласно Вильямсу, в особом, «энергизованном» состоянии. Разделенные пары зарядов — электроны и «энергизованные» протоны, взаимодействуют с ATP-сопрягающим фактором в мембранах, где и происходит преобразование энергии протонов в энергию химической связи АТР.
