Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
Ка+/Н+-антипорт был описан в 1974 г. Уэстом и Митчелом [1584] у Е. coli. Впоследствии его наличие было продемонст-
'372 6. Регуляция, транспорт и стабилизация протонного потенциала
рировано у многих видов бактерий (см. обзор: [886]). Недавно было найдено, что бактериальный Ка+/Н+-антипорт, подобно аналогичному процессу во внешней мембране животной клетки, чувствителен к амилориду [1065]. К сожалению, до сих пор не выделен белок, ответственный за эту активность. Реконструкция про-теолипосом, содержащих большое количество белков нефракцио-лированного экстракта бактериальных клеток, остается пока что наибольшим достижением на пути к выделению Na+/H+-aHTH-портера [886, 1354, 1524].
Взаимодействие Д^-зависимого импорта Kf и ДрН-зависимого экспорта Na+ в принципе удовлетворяет требованиям, предъявляемым к AjIH-буферу. Na+ — наиболее массовый катион. Его концентрация в морской воде около 0,5 М. Поэтому клетка, откачивая Na+ из цитоплазмы, может легко создать большой градиент ионов Na+. [К+]нару,к обычно гораздо ниже, чем Ша+]наРуж, так что большая АрК может быть получена за счет аккумуляции К+ внутри клетки. В то же время [К+]наруж не столь мала, чтобы затруднить поиск этого катиона во внешней среде. Ведь К+ — второй по массовости катион, если иметь в виду все ту же морскую ьоду.
Замена внутриклеточного Na+ на К+ и наоборот вряд ли должна слишком уж сильно сказаться на метаболизме и структуре клетки, поскольку свойства этих ионов во многом подобны, тем более что ни К+, HnNa+ прямо не участвуют в биохимических реакциях.
Опыты, проведенные в нашей и ряде других лабораторий, подтвердили, что бактерии образуют Ка+/К+-градиенты при избытке энергии и используют их для совершения полезной работы при нехватке энергетических ресурсов. Наиболее существенны следующие наблюдения.
1. Предобразованные градиенты ионов Na+ и К+ могут поддерживать такую AjIH-зависимую функцию, как движение гало-фильной Halobacterium halobium, морского Vibrio harveyi, а также Е. coli после исчерпания энергетических ресурсов. У пресноводной Phormidium uncinatum был эффективен градиент К+, но не Na+ [28, 29, 191, 310, 1403].
2. Градиенты Na+ и К+ стабилизируют уровень АТР в условиях энергетического дефицита [191, 1563]. Эта стабилизация обусловлена синтезом АТР, а не торможением его распада [191]. Одновременно стабилизируется мембранный потенциал [28, 29, 191, 310, 1028, 1403].
3. Поддерживаемый ионными градиентами синтез АТР прекращается раньше, чем движение [310].
4. Емкость Ка+/К+-буфера прямо пропорциональна концентрации соли в среде обитания бактерий, снижаясь в ряду Н. halo-pium Y. harveyi Е. coli ]> Ph. uncinatum. У Н. halobium, предынкубированной на свету, градиенты Na+ и К+ все еще под-
6.3. AftН-буферы
373
держивают движение спустя более чем 8 ч после прекращения освещения и исчерпания 02 (см. рис. 115, а). Это означает, что галобактерия в течение дня способна вложить в Ка+/К+-градиент столь значительную порцию энергии, что ее практически хватает на всю ночь [191, 310].
5. Динамика функций, поддерживаемых Ка+/К+-градиентами, складывается из трех фаз: быстрого частичного торможения, стабилизации на промежуточном уровне и быстрого снижения до нуля [191, 310] (см., например, рис. 115, б).
Количественные соотношения (пункты 3—5) оказались в хорошем соответствии с математической моделью, рассчитанной
В. С. Маркиным и A. JI. Драчевым для стабилизации AjIH градиентами Na+ и К+ [54, 485].
Как показали дальнейшие опыты, клетка расходует Na+/K+-градиент с большой осторожностью, чтобы предотвратить «энергетическое банкротство» при истощении своего последнего резерва. Добавление валиномицина к голодающим клеткам приводит к немедленному выходу всего накопленного К+, что сопровождается быстрым подъемом уровня АТР, который, однако, оказывается неустойчивым и резко снижается до величин, меньших, чем до внесения в пробу валиномицина [29, 191].
Как показали работы группы Кепеша [838, 1021], выход ионов К+ из клеток Е. coli регулируется интермедиатами цикла Кребса, глюкозой, а также неметаболизируемыми фосфорилиро-ваиными производными глюкозы. Был получен ряд мутантов, лишенных этой регуляции. У мутантов система выхода ионов К+ была постоянно активирована. Одну из мутаций удалось локализовать в опероне глютатионсинтазы; У исходного штамма регуляцию можно было отключить N-этилмалеимидом. Это нарушение снималось глютатионом и у-глютамиламинобутирилгли-цином (офтальмовой кислотой) — аналогом глютатиона, не содержащим SH-группы. Поскольку все перечисленные эффекты никак не влияли на активность TrK-системы, авторы заключили, что выход К+ происходит через особые каналы, ингибируемые глютатионом (см. также раздел 5.2.2).
Взаимодействие К+-унипорта и Ка+/Н+-антипорта — это простейший, но не единственно возможный механизм стабилизации AjIH градиентами одновалентных катионов. У некоторых бактерий, по крайней мере в щелочной среде, имеет место электрогенный Ка+/ггН+-антипорт [886]. Кроме того, накопление К+ может катализироваться К+, Н+-симпортером [209]. В подобных случаях ApNa стабилизирует не только АрН, но и (в меньшей степени) AY. Соответственно АрК стабилизирует и AY, и АрН, причем эффект более выражен в отношении AY [485].
