Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
5.2. Осмотическая работа за счет AjiH
257
Рис. 82. Транспортный каскад внутренней митохондриальной мембраны
Дыхательная цепь (/) откачивает ионы Н+ из матрикса. Н2РО^ Н+-симпортер (2) и АDP3 / /АТР4--антипортер (3) импортируют фосфат и ADP в матрикс в обмен на АТР. НРО2 / /малат2--антипортер (4) катализирует вход малата. Малат2-/(цитрат3- -f- Н+)-антипортер (5)1вызывает накопление в матриксе цитрата (по: Педерсен и Верле [1177])
СН3 СН., СН;,
I © I © I ©
СН,—N—СН, CH.,—N-—СН, СН,—N—СН,
11“ !
СН, СН., сн9
I ? I I I ?
НС—OH НС—О—с—R -а— не-О R
I I Д гн
СН2 СН, О V 2 м
I I, ' .0
О^'О© ЧП_н
Карнитин-цвиттерион Ацилкарнитин-цвиттериои Ацил кар нити н-катион
Рис. 83. Карнитнн и ацилкарнитины в депротонированной (цвнттерионной) и_протонированной (катионной) формах
R — углеводородный остаток жирной кислоты
9 В. П. Скулачев
258
5. Потребители AfiH
К несчастью для исследователей карнитина все попытки показать витаминную функцию этого вещества на объектах иных, чем мучной червь, дали отрицательный результат. Работа Картера и его коллег оказалась не в состоянии стимулировать интерес к функции карнитина просто потому, что человечество никак не заинтересовано в процветании мучных червей и, стало быть, не слишком озабочено витаминностью их пищи. К середине века, когда подавляющее большинство низкомолекулярных компонентов клетки уже нашло свое место на метаболической карте, функция карнитина все еще оставалась совершенно неясной.
В 1955 г., т. е. ровно полвека спустя.после открытия карнитина, Фридман и Френкель [585] выяснили, что карнитин обратимо ацетилируется посредством ацетил-СоА. Последний занимает ключевое место в метаболизме, так что можно было надеяться, что ацетилкарнитин служит интермедиатом переноса ацильных остатков с ацетил-СоА на какой-либо акцептор. Ничего подобного, однако, показано не было. Единственной реакцией утилизации ацетилкарнитина осталось его превращение обратно в кар-нити л с ацетилированием свободного СоА. То же верно и для ацилкарнитина, второго представителя соединений этого типа, в ко ором вместо ацетила имеется ацильный остаток жирной кислоты. Складывалось впечатление, что ацилирование карнитина представляет собой метаболический тупик.
В том же 1955 г. Фритц [587] отметил стимулирующее действие карнитина на окисление жирных кислот гомогенатом печени. Подобный эффект представлялся довольно неожиданным для вещества, стоящего в стороне от главных путей метаболизма, так что наблюдение Фритца в течение некоторого времени оставалось необъясненным.
В 1960-е годы, когда начались обширные работы по мембранам, эффект Фритца также попал в поле зрения. Обнаружилось, что он как-то связан с митохондриями. Фритц [588] выдвинул гипотезу об участии карнитина в транспорте жирных кислот через митохондриальную мембрану. Эта мысль получила подкрепление, когда выяснились следующие два факта. Во-первых, карнитин-ацилтрансфераза, катализирующая перенос ацильной группы между СоА и карнитином, локализована на обеих сторонах внутренней мембраны митохондрий. Во-вторых, ацилкарнитин (но не ацил-СоА) способен проникать через митохондриальные мембраны (см. обзор [301]). На основе названных наблюдений была сформулирована схема участия карнитина (Сп) как переносчика жирных ацилов, суммированная уравнениями (39)—(41):
ацил-СоА
ацил-Спн.
ацил-Сп
1н;
-»ацил-Сп,
1наруж
+ СоА,
(39)
(40)
(41)
внутр
+ СоА.
внутр
5.2. Осмотическая работа за счет ЛиН
259
Два вопроса остались неясными в рамках данной концепции. 1. Какова судьба Спвнутр? Сам по себе он не может выйти из митохондрий, так как внутренняя мембрана, как было показано, непроницаема для карнитина [301, 928]. 2. Неясно, почему именно гидрофильная молекула карнитина была отобрана эволюцией в качестве переносчика жирных ацилов.
Обе проблемы были решены в 1970-е годы. Для биоэнергетиков этот период ознаменовался борьбой вокруг хемиосмотичес-кой гипотезы Питера Митчела, завершившейся его триумфом. В частности, было найдено, что любой процесс аккумуляции ионов или метаболитов в митохондриях поддерживается энергией Д}Ш. Вот почему в 1970 г. мы предположили, что роль карнитина как-то связана с использованием протонного потенциала [117]. Дело в том, что жирные кислоты представляют собой гидрофобные анионы и потому они могли бы откачиваться из митохондрий под действием А Т. Протонированные формы жирных кислот могут входить обратно в митохондрии, двигаясь по АрН. Циркуляция жирных кислот в мембране митохондрий должна приводить к рассеянию AjIH (разобщению). В то же время ни кар-яитин, ни ацилкарнитин не могут быть анионами. В депротониро-ванной форме они цвиттерионы (суммарный заряд равен нулю), а в протонированной — катионы. При этом цвиттерионные формы более гидрофильны. Сказанное позволяет предположить, что жирные кислоты, соединяясь с карнитином, утрачивают свою 'разобщающую активность и приобретают способность накапливаться внутри митохондрий, где происходит их (3-окисление. Транспорт в целом может быть описан симпортом жирных ацилов и ионов Н+ в митохондриальный матрикс под действием общей ДиН:
