Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
Интересный вопрос состоит в том, каким образом лидеры функционируют в системе экспорта белков из цитоплазмы бактериальной клетки. Если лидер заряжен положительно, как это было показано для предшественника белка оболочки фага М13, он должен вызывать импорт, а не экспорт белка, поскольку направление электрического поля в бактерии и митохондрии одно и то же. Чтобы объяснить экспорт, Копеланд и соавт. [402] предложили «модель гарпуна», постулировав, что две N-концевые а-спираль-ные колонны образуют U-образную структуру с положительно заряженным лидером на цитоплазматической стороне мембраны и отрицательно заряженным кластером, образующим связку между колоннами на периплазматической стороне. По этой гипотезе
284
5. Потребители AjliH
лидер нужен для правильной ориентации «гарпуна» в мембране.
Авторы рассчитали вероятные затраты энергии (—AG) на перенос некомпенсированных электрических зарядов из воды в гидрофобную сердцевину мембраны и сравнили его с выигрышем энергии (+AG), сопровождающим образование правильной структуры. Оказалось, что —AG и +AG могут быть одного порядка. Копеланд и соавт. [402] отмечают, что подавляющее большинство белков, экскретируемых Е. coli, характеризуются pi 7, так что они могут электрофоретически выбрасываться из цитозоля под действием электрического поля, достигающего в цитоплазматической мембране величины 105 В-см.
В рамках этой концепции транспорт белка через мембрану организован по принципу «самообслуживания»: белку не нужен специальный переносчик после того, как он попал в сферу действия AY внутри мембраны. Вероятно, AY играет двоякую роль: она, во-первых, позволяет белку расположиться в мембране так, чтобы затем двигаться электрофоретически, и, во-вторых, поддерживает сам процесс электрофореза. Однако нельзя исключить, что A^F выполняет только первую из названных функций, а транслокация основной массы белка происходит независимо от энергии (см. выше опыты Нойперта, показывающие, что AY необходима только для транслокации лидера). Подобная ситуация вряд ли неожиданна, поскольку при транспорте белка через мембрану обычно не происходит образования большого градиента концентрации транспортируемого белка. Сказанное означает, что лимитирующим фактором переноса белка служит кинетика, а не термодинамика процесса.
В случае транспорта по крайней мере некоторых белков возможно участие переносчика. Например, Баккер и Рэндал [2121 недавно показали, что потребность в энергии процесса экспорта (З-лактамазы из клеток Е. coli покрывается за счет общей AjIH (эффективны как AY, так и АрН). Этот эффект легко объяснить участием специального белок/Н+-антипортера. Другое объяснение подобного рода данных могло бы состоять в том, что АТР служит непосредственным источником энергии для транспорта белка, а роль ДрН ограничивается образованием АТР посредством Н+-АТР-синтазы. Именно такая точка зрения была высказана недавно Ченом и Таи [373], изучавшими транспорт щелочной фосфата-зы и белка ОтрА в субклеточных пузырьках Е. coli.
Еще одна возможность — это необходимость ДрН для поддержания структуры мембраны в том состоянии, которое благоприятно для транспорта белка. Иными словами, Д]1Н — регулятор, а не движущая сила процесса транспорта. Такая возможность, в частности, обсуждалась Марино и соавт. [990]. Авторы исследовали транслокацию липополисахаридов из цитоплазмы во внешнюю мембрану Е. coli и нашли, что для протекания этого-процесса требуется как ДрГН, так и АТР. Известно также, что
5.2. Осмотическая работа за счет АцН
285-
транспорт фосфатидилэтаноламина по тому же маршруту также является энергозависимым (см. ссылки: [990]).
Совсем недавно группой Нойперта была продемонстрирована необходимость не только A'i\ но также еще и АТР для транспорта митохондриальных белков [1189]. По-видимому, АТР требуется для разворачивания глобулы белка, подлежащего транспорту.
Как сообщили недавно Флюгге и Хинц [569], импорт белков в хлоропласты требует АТР, а не АрТ. При этом, вероятно, АТР тратится на внешней стороне мембраны оболочки хлоропласта.
Неясно, нужна ли энергизация мембраны для транспорта белка через мембрану эндоплазматического ретикулума. В этом транспорте участвуют особые РНК-содержащие частицы [1573]. Есть косвенные указания на необходимость АрН для функционирования аппарата Гольджи и, может быть, также и эндоплазматического ретикулума (см. раздел 4.6). Чувствительность митохондриального импорта белков к рибонуклеазе [562] указывает на возможную общность механизмов трансмембранного переноса белков в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме.
5.2.8.4. Транспорт бактериальной ДНК
Нет сомнений, что должен существовать особый молекулярный механизм, транспортирующий ДНК через мембрану бактериальной клетки. Этот процесс может быть быстрым. Так, скорость переноса ДНК при инфекции бактерии фагом Т4 достигает 3-103 нуклеотидных остатков в секунду, или один нуклеотид за 330 мкс [646]. Это сравнимо со скоростью переноса электрона по дыхательной цепи. Перенос ДНК при коньюгации и генетической трансформации происходит несколько медленней: соответственна 600 и 55 нуклеотидных остатков в секунду [646], что все еще больше, чем скорость переноса нуклеотидов ATP/ADP-антипорте-ром (25 нуклеотидов в секунду [1553]). Транспорт ДНК часто сопровождается переносом особых «пилотных» белков [878]. Это означает, что мембрану пересекают большие молекулярные массы. В некоторых случаях ДНК переносится в виде двойной спирали (см. обзор: [47]).
