Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
Еще в 1966 г. Глин и Гаррахан [619, 930] доказали принципиальную возможность того, что ApNa (вместе с АрК) способна повернуть вспять реакцию гидролиза АТР, катализируемую ион-транспортной АТРазой. Авторы описали синтез АТР эритроцитами в условиях, когда Ша+]внУтр > [Na+]Hapy* и [К+]внутр < < [К+]наруж. Однако такая реакция вряд ли происходит in vivo нз-за противоположной направленности ионных градиентов.
7.2.3.1. AjINa-зависимый синтез АТР\ у анаэробных бактерий
Некоторые указания на превращение энергии AjINa —»? АТР в естественных условиях были получены Димротом и его коллегами [472, 722], изучавшими Propionigenum modestum, строго анаэробную бактерию, описанную в 1982 г. Шинком и Пфенигом {1317]. Единственным источником полезной энергии для P. modestum служит декарбоксилирование сукцината в пропионат:
-ООС-СН2-СН2-СОО- -I- Н20 СН3-СН2-СОО- + НС03- + 5 Ккал.
(66)
Энергетический выход этой реакции примерно вдвое ниже, чем цена энергии синтеза АТР из ADP и фосфата при физиологических условиях. (Это послужило поводом для Шинка и Пфенига дать видовое название вновь открытому микробу modestum, т. е. умеренный — в смысле энергетических потребностей.) Ясно, что механизмы субстратного фосфорилирования не могут быть использованы P. modestum, так как все они предполагают образование одной молекулы АТР на одну молекулу утилизированного субстрата. Решением проблемы могла бы быть генерация AjIH
7.2. Утилизация ДцХа, образуемой первичными ДиН-генераторами 395
Рис. 118. Предполагаемый механизм энергообеспечения анаэробной бактерии Propionigenum modestum
Сукцинат входит в клетку, где превращается в сукцинил-СоА| посредством переацилирова-ния с пропионил-СоА. Из сукцинил-СоА образуется метилмалонил-СоА. Последний декарбоксилируется до пропионил-СоА и С02, что сопряжено с откачкой из клетки ионов Ка+. Откаченные ионы Na+ возвращаются в цитоплазму через Ш+-АТР-синтазу, образующую АТР из ADP и фосфата. Стехиометрия Na+: субстрат для декарбоксилазы меньше, чем для Н+-АТР-синтазы (по: Хильпертидр. ?722] и Димрот и Хильперт [472])
или AjINa при декарбоксилировании сукцината, если предположить, что на каждый декарбоксилированный сукцинат из клетки откачивается иН+ или rcNa+, а синтез одной молекулы АТР сопряжен с переносом 2иН+ (2fiNa+) назад в клетку.
По Димроту и соавт. [722], декарбоксилирование метилмалонил-СоА (интермедиата превращения сукцината в пропионат) сопряжено с откачкой ионов Na+ из цитоплазмы P. modestum (см. выше раздел 7.1.1). Предполагается, что образования AjINa используется для синтеза АТР путем обращения Na+—АТРазы, которая была обнаружена в больших количествах в мембране P. modestum (рис. 118). Как сообщил Димрот, эта АТРаза похожа по субъединичному составу на FoF^ Она чувствительна к ДЦКД, будучи связанной с мембраной, и утрачивает эту чувствительность, как и способность активироваться ионами Na+, после отделения от мембраны [471, 472].
Чтобы проверить схему, представленную на рис. 118, авторы исследовали вывернутые субклеточные пузырьки P. modestum [722, 723]. Было найдено, что как декарбоксилирование метил-малонил-СоА, так и гидролиз АТР сопряжены с накоплением Na+ внутри пузырьков. ATP-зависимое поглощение Na+ тормозилось 5 * 10—5 М моненсином и было устойчиво к 5 • 10”5 М ХКФ (pH 7,0). Дальнейшие опыты показали, что AjINa, образуемая декарбоксилазой, может поддерживать синтез АТР. Моненсин тормозил процесс. К сожалению, степень сопряжения декар-боксилирования и фосфорилирования в пузырьках оказалась очень низкой: скорость синтеза АТР была в 104 раз медленней скорости декарбоксилирования. Кроме того, АТРазная активность была в 103 раз большей, чем АТР-синтазная. Поэтому наблюдение Димрота и соавт. можно рассматривать лишь как качествен-
396
7. Натриевый мир
ное указание в пользу Д]Ша-зависимого фосфорилирования, а не как окончательное доказательство этого процесса.
Тем не менее вся логика этой работы, а также ряд фактов, косвенно имеющих отношение к делу, свидетельствуют о справедливости заключения, сделанного авторами: 1) P. modestum должен иметь какой-то механизм синтеза АТР, сопряженный с превращением сукцината в пропионат, поскольку эта реакция — единственный источник энергии для жизнедеятельности данного микроба; 2) твердо установлено, что энергия, освобождающаяся при декарбоксилировании, используется для образования ApiNa;
3) Na" вызывает 20-кратную активацию мембранной АТРазы;
4) АТР поддерживает чувствительный к моненсину транспорт Na+ в субклеточные пузырьки или Na+—АТРазные протеолипосомы. Этот транспорт резко стимулируется протонофором ХКФ или валиномицином и К+; 5) гидролиз АТР может быть сопряжен с А]Ша-зависимым карбоксилированием пропионата в метилмало-лил-СоА [471, 472].
AjIH-независимый синтез АТР, поддерживаемый искусственно созданной AjINa, был продемонстрирован в опытах с другим типом анаэробных микробов — метанообразующими бактериями. В 1983 г. Шенхайт и Перски [1335] сообщили, что вызванный валиномицином выход К+ из клеток Methanobacterium thermo-autotrophicum приводит к возрастанию уровня внутриклеточного АТР. Эффект сильно стимулировался ионами Na+ [1335] или Li+ [1332]. По мнению авторов, одно из возможных объяснений наблюдавшегося эффекта состоит в том, что A^F, генерируемая на выходе ионов К+, используется для обращения гипотетической Na+— АТРазы. Однако Шенхайту и Перски не удалось обнаружить стимулирующего действия ионов Na+ на АТРазную активность мембранной фракции исследованной бактерии [1335].
