Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
Предполагается, что в той же мембране закреплены некоторые компоненты статора. В нем имеются два протонных «колодца», каждый из которых пересекает часть толщины мембраны. На дне входного «колодца» находится протонакцепторная группа X, принадлежащая ротору, т. е. М-диску (это может быть, например, NH2-rpynna лизинового остатка белка, образующего М-диск). Появление положительного заряда на X при его протонировании вызывает кулоновское притяжение этой группы к другой про-тонакцепторной группе Y", скажем, ионизированному карбоксилу дикарбоновой аминокислоты, принадлежащей белку статора. При-
+
тяжение приводит к вращению М-диска и сближению ХН и Y-.
5.3. Механическая работа за счет ДцН: движение бактерий
293
Рис. 91. Возможное устройство протонного мотора бактерий [611] Объяснения см. в таксте
?4*
Перенос протона от ХН к Y- и далее в цитоплазму по выходному «колодцу» завершает цикл. Теперь другой ион Н+ из периплазмы может протонировать следующую группу X, занявшую место на дне входного «колодца».
Схема предполагает, что на периферии М-диска расположена длинная цепь групп X, так что один оборот М-диска сопровождается переносом большого числа протонов из периплазмы в цитоплазму. По расчету Берга [246], один оборот ротора требует переноса около 200 ионов Н+ через мембрану в цитоплазму по градиенту ДрН = 200 мВ. В рамках простой схемы, показанной на рис. 91, это означает, что число групп X на М-диске должно быть порядка 200. Поскольку радиус М-диска обычно около 10 нм, расстояние между двумя соседними группами X оказывается порядка 0,3 нм. Количество групп X будет меньшим, если в статоре имеется не одна, а несколько пар входных и выходных «колодцев».
Есть указание, что один из девяти белков, образующих базальное тело флагеллы, имеет pi в очень щелочной области (выше 9). Может быть, именно этот полипептид декорирован цепочкой из групп X.
Как уже отмечалось выше, во флагеллярном моторе предусмотрено переключение направления вращения ротора при неизменном знаке ДрН. Чтобы объяснить это свойство мотора, надо дополнить схему на рис. 91 устройством, меняющим положение протонных «колодцев» относительно ротора таким образом, что в одном положении перенос протонов вращает ротор по часовой стрелке, а в другом — против. Эти два положения схематично показаны на рис. 92, а ж б.
Вращение ротора в обратную сторону при изменении направленности ДрН у бестаксисного мутанта, изученного группой Берга, иллюстрируется рис. 92, в. Протонирование Y, X, а также еще одной протонакцепторной группы (Z) в начале выходного «колодца» цитоплазматическими ионами Н+ вызывает взаимное от-
294
5. Потребители AfiH
Ротор
Статор Xi
II LI III
Ifrtt
О*
наруж
X ©х2н
-у
©
ч......1'"
© X, Н X:
©У
1~у
-Z
?у")
X,
X,
,©
I
X.
©
'ZH
Цшутр
U©
X,
Ш
© X, н х2
@ Н наруж ==| „©
i
г
X,
~т
зн+„„,
Щ1
©XjH Х2 ? УН ®
ZH
• И Г.Д,
Рис. 92. Схема, иллюстрирующая соотношение между направлениями Д|Ш и вращения флагеллы
а и б — Д|лН естественного направления (цитоплазма заряжена отрицательно или имеет более высокий pH по сравнению с внешней средой). Взаимное расположение компонентов статора и ротора различно, что и предопределяет различие направлений вращения ротора; в — ротор и статор располагаются как в а, но из-за обратного направления Д.аН ротор вращается в другую сторону; Хь Х2 и Х8 — протонакцепторные группы ротора, а V- и Z — таковые статора. Для простоты указаны только три группы X (в варианте а видны группы Xi и Х2, обращенные к наблюдателю, а Х3 не видна, будучи на противоположной стороне ротора). В реальной системе число групп X должно быть гораздо большим
талкивание одноименно заряженных групп ZH и ХН, вызывая вращение ротора в другую сторону с состоянием а, когда АрН имеет естественное направление. Группа Z не нужна, если принять, что в условиях кислого pH в выходном колодце группа Y-
4-
может принимать два протона, превращаясь в YH.
5.3. Механическая работа за счет ДцН: движение бактерий
295
Возможно, что эффективность утилизации и пороговое значение ДцН различны при работе мотора в режимах а ив. Поэтому неудивительно, что иногда ДцН одного направления вызывает вращение флагеллы, а ДцН обратного направления не вызывает, как это было в цитированных выше опытах Адлера на «тенях» бактериальных клеток.
Движение протонов по «колодцам» является, по-видимому, чисто физическим процессом, судя по тому факту, что работа мотора не зависит от температуры. Это может быть диффузия ионов Н+ или Н30+ по обводненной поре, или их миграция вдоль цепочки молекул связанной воды, либо эстафета по закрепленным в белке протонакцепторным группам, не требующая конформа-ционных изменений белковой молекулы. Перенос протонов между этими группами не лимитирует скорость процесса в целом, о чем свидетельствует неизменность вращательного момента мотора при замене Н20 на D20.
Интересен вопрос, не используется ли данный механизм протонного проведения в других Непроводящих путях. На первый взгляд, ответ должен быть отрицательным, так как все прочие известные в настоящее время мембранные преобразователи энергии имеют обычную для ферментов зависимость от температуры, т. е. торможение процесса в 2—3 раза при снижении температуры на 10°. Это верно даже для изолированного фактора F0, единственной функцией которого, как принято считать, служит перенос протонов (см. выше раздел 5.1.1.5). Однако не исключено, что температура влияет не на перенос протонов как таковой, а на какое-то конформационное изменение, происходящее, например,; на дне протонного «колодца», образуемого фактором F0.
