Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Как и многие исследователи в 70-х годах, Вильямс предполагал прямое участие «энергизованных» протонов в образовании АТР из ADP и Рн [141]. Однако в настоящее время он предпочитает другой механизм, в котором эти протоны связываются с АТР и производят два конформационных изменения. Одно — освобождение АТР из Fj, другое — открывание канала в F0, обеспечивающее возможность свободной диффузии внутрь митохондрий [142].
Следует отметить, что сам автор указывает на наличие в данной концепции целого ряда неясных и экспериментально не обоснованных утверждений. Например, неясны пути, по которым двигаются «энергизованные» протоны. Предполагается, что это специфический канал в липидно-белковом слое, в котором иммобилизована вода, способная передавать одиночные протоны. Наибольшую трудность для данной концепции представляет доказательство существования «энергизованно-го» протона.
В настоящее время концепция Вильямса имеет сравнительно немного сторонников [74,82,123]. В работе [74] предпринята попытка объединить наиболее привлекательные моменты концепции Вильямса, в частности представления о существовании систем водородных связей в мембранах и протонном токе и идеи Митчелла о связи трансмембранного градиента концентрации протонов с переносом электронов и фосфорилирова-нием. Близкие идеи о системах водородных связей в мембранах высказаны в работах (48, 74].
К сожалению, вопрос о существовании систем водородных связей в структуре биомембран никак не связан с организацией липидов и белков в мембранах. Во всяком случае, исходя из существующих представлений об ориентации фосфолипидов в мембранах [118], это никак не следует. В качестве возможного пути для протонов предлагают полярные группы молекул фосфолипидов на поверхности мембраны [109]. Однако особенность структуры систем водородных связей, как будет показа-
но в следующей главе, накладывает определенные ограничения на подвижность протонов. В своих представлениях Вильямс также не учитывает олигомерную организацию белков в мембранах.
Концепция цикличности процесса трансформации энергии П. Бойера. На основе изучения конкретных механизмов действия ATP-азы П. Бойером предложена модель работы этого фермента [62]. Хотя, в отличие от рассмотренных выше концепций, она не претендует на универсальность подхода в биоэнергетике и касается лишь механизма работы ATP-азы, ее связь с одним из важнейших элементов цепи трансформации энергии, синтезом АТР, придает этой модели существенное значение для понимания ключевых проблем биоэнергетики. Первоначально предполагалось, что митохондриальная АТР-аза имеет два активных центра, работающих поочередно [62]. Приток энергии ускоряет как выход АТР в одном активном центре, так и связывание ADP и Рн Для последующего синтеза АТР в другом активном центре. Таким образом, оба центра участвуют в синтезе АТР и связывании субстратов. Выход продукта происходит поочередно на двух активных центрах, вследствие чего модель получила наименования «попеременно-сти мест связывания». В таком виде модель имеет много общего с работой других ферментов, функционирующих по принципу «флип-флоп» [79], и является, по существу, циклическим механизмом трансформации энергии.
Однако П. Бойер не конкретизирует физическую природу «притока энергии» и важную роль в катализе придает конфор-мационным изменениям фермента, обусловленным этой энергией. В настоящее время, в связи с установлением детальной структуры фактора Fb характеризующейся наличием трех центров, обеспечивающих синтез АТР [137], П. Бойер несколько модифицировал свою модель, сохранив при этом принцип поочередности работы активных центров [35]. Согласно новой модели, синтез АТР сопряжен также с перекачиванием протонов в трех областях фактора F0, расположенных симметрично вокруг центральной оси. Отметим между прочим, что к идее поочередности функционирования отдельных частей этого фермента пришли также авторы работы [4], хотя и на основе принципиально иных соображений.
Концепция «спаренного» сопряжения Д. Грина. Данное направление идей не является в настоящее время определяющим в развитии биоэнергетики. Тем не менее, их изложение обеспечивает переход к анализу физических основ биоэнергетики. Генезис идей Д. Грина, известного американского биохимика, можно проследить с начала 70-х годов. Именно тогда были сформулированы представления о существовании в биомембранах «супермолекул», содержащих экзергонические и эндергонические центры [58], передача энергии между ко-
торыми осуществляется, по мысли автора, в виде дискретных пакетов — конформонов. Основу его взглядов составляла элек-тромеханохимическая модель энергетического сопряжения и ферментативного катализа [56], на базе которой была предпринята попытка создать единую концепцию биоэнергетики. Дальнейшим развитием этих идей явилось выдвижение принципа спаренных движущихся зарядов [59], который предполагает согласованное перемещение разделенных зарядов в структуре мембраны.
Более поздние взгляды Д. Грина наиболее полно изложены в работе [60], в которой развивается концепция «парности». В основе концепции лежит идея, что для преодоления высокого термодинамического барьера при химических изменениях должен происходить разрыв пары связей с одновременным образованием новой пары связей. В таком случае ферменты можно рассматривать как машины, реализующие этот принцип. При переходе от классической энзимологии к энергетическому сопряжению, мышечному сокращению и т. д. будут добавляться новые возможности к основной ферментативной машине, при полном сохранении принципа парности. Сама по себе идея преемственности в развитии биоэнергетических механизмов, безусловно, рациональна. Однако при всей оригинальности и универсальном подходе, данная концепция лишена как структурно-функциональной основы (связи с надмолекулярной организацией ферментов и других структур), так и молекулярной конкретности. Приводимые в работе [60] тетраэдрические диаграммы практически никак не соотносятся с реальными функциональными группами аминокислот, организованными определенным образом в белковых структурах.
