Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
Интересная возможность состоит в том, что клетка способна обратимо отключать определенные области цитоплазмы от рассматриваемой здесь объединенной редокс-системы, регулируя таким способом функциональную активность этих областей. Подобная регуляция могла бы реализоваться через изменения степени восстановления SH-групп определенных ферментов, а также кофакторов, например глютатиона.
В данной связи уместно отметить работы Крейна и др. ([222, 409, 410, 625, 956], см. также [978]), свидетельствующие о том, что определенные гормоны контролируют ротенонустойчивую NADH-дегидрогеназу во внешней мембране животных и растительных клеток. Либерман [81] предположил, что fpb и цитохром Ъъ играют ключевую роль в гипотетической системе внутриклеточного «молекулярного компьютера», трансформирующего различные внутри- и внеклеточные сигналы в функциональный ответ клетки.
В заключение этого раздела, посвященного движению белков-переносчиков электронов вдоль мембран, следует подчеркнуть более широкое значение процесса транспорта белков по мембранам. Показано, что целый ряд мембранных белков электрофоре-тически перемещается вдоль мембран под действием разности
370 6. Регуляция, транспорт и стабилизация протонного потенциала
электрических потенциалов между противоположными конца.\1и клетки [160, 198, 685, 994].
Интересной перспективой для будущих исследований может стать анализ такого рода явлений применительно к митохондриальным филаментам.
6.3. AjiH-буферы
'6.3.1. Градиенты Na+ и К+ как AjSH-буфер у бактерий
Если протонный потенциал играет роль конвертируемой валютц количество энергетических эквивалентов, накопленных в виде ДрН, должно быть достаточно велико, чтобы стабилизировать .забуферивать колебания скоростей ДрСН-образующих и ДЦ1-лотребляющих процессов [127, 128, 1054, 1401].
Зная электрическую емкость и площадь мембраны, например ?бактериальной клетки, мы можем рассчитать, сколько ионов водорода будет откачено из цитоплазмы бактерии при образовании Д[1Н порядка 250 мВ (верхний предел Д^Ш, поддерживаемой в .энергизованных условиях). Приняв емкость равной 1 мкФ-с&гз [1156], получим количество Н+, равное всего 1 мкмоль-г белка'*, что соизмеримо с содержанием мембранных ферментов [1047]_ Чтобы запасти энергию Д[1Н в «субстратных» количествах, необходимо разрядить мембрану потоком любых ионов, кроме Н+. При этом снижение ДТ будет сопровождаться переносом новь)Х дорций ионов Н+ до тех пор, пока ДрН не возрастет до величину эквивалентной 250 мВ.
рН-Буферная емкость цитоплазмы примерно на 2 порядка превышает электрическую емкость цитоплазматической мембрану так что порция энергии, накопленной в ДрН, оказывается гораздо большей, чем в Д? [1403].
Дальнейшее увеличение количества «мембранной» энергии может быть достигнуто, если образованная таким способом ДрЦ .затем используется, например, катион/Н+-антипортером, заменяющим ДрН на Др(катион). Включение такого антипортера, обменивающего, скажем, внутренний Na+ на внешний Н+, по существу, равносильно увеличению концентрации рН-буфера, как .это впервые было отмечено Митчелом еще в 1968 г. [1047]. К сожалению, Митчел игнорировал роль другого одновалентного катиона — К+. По его мнению, накопление К+ под действием Др •есть нежелательный, хотя и неизбежный побочный эффект.
В 1978 г. мы выдвинули предположение [1402, 128], что вход К+ используется бактериальной клеткой с целью превращения Д? в ДрН и ДрК. Образуемая ДрК, согласно нашей гипотезе, забуферивает Д?. Что касается ДрН, то она утилизируете^ Ка+/Н+-антипортером для образования ApNa. В результате ApNa оказывается буфером ДрН. Согласно этой концепции, бак-
6.3. А[Ш-буферы
371
Бактериальная
цитоплазматическая
Рис. 115. )Ча+/К+-градиент как Др-Н буфер бактерий
а — ДцН-зависимое образование градиентов ионов Na+ и К+ на цитоплазматической мембране бактерий. Н+ откачивается из клетки ДцН-генераторами (1). Образованная при этом AW вызывает электрофоретический вход ионов К+ (2), который разряжает A*?, превращая ее в ДрН. Na+/H+-airranopTep откачивает Na+ из клетки за счет ДрН (3). Снижение A'SF и ДрН обращает ионные потоки, которые поддерживают некоторое время ДУ и ДрН в отсутствие внешних энергетических ресурсов [128]; б — движение клеток Halobacterium halobium, поддерживаемое Ка+/К+-градие1гтом. Результаты опытов (точки) [191] и ком-пькиериого моделирования (кривь:е) [54]; 1— K+/Na+-6y$ep; 2 — без K+/Na+-6y$epa
терия аккумулирует К+ и выбрасывает Na+ в условиях избытка энергетических ресурсов. Энергетический дефицит меняет направление ионных потоков: снижается Д?, и К+ начинает выходить из клетки, двигаясь по градиенту своей концентрации; соответственно снижение АрН приводит к входу Na+ (рис. 115, а).
Гипотеза Д[1Н-буфера позволила объяснить ряд наблюдений, касающихся энергетики бактерий. В частности, было известна, что К+ может электрофоретически накапливаться в бактериальных клетках (см. обзоры: [1403, 485, 684]). Среди таких механизмов прежде всего следует отметить систему транспорта калия (TrkA), описанную Эпстайном и соавт. в опытах на Е. coli [1248]*. Ее аллостерическим активатором служит АТР, необходимый и для входа, и для выхода К+ [210, 1452].
