Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
составить окончательного суждения об эффективности фотосинте-тической редокс-цепи.
Гораздо больший прогресс достигнут в изучении циклической редокс-цепи бактерий-фотосинтетиков. Здесь уже ясно, что генерация Д]Ш есть результат взаимодействия Митчеловой элект-рон-транспортной «полупетли», включающей хлорофиллы, фео-фитин, хиноны и цитором с, и системы Q-цикла, подобной таковой в митохондриях. Для одного из AjIH-генераторов, а именно реакционных центров Rhodopseudomonas viridis, получены как структурные (рентген высокого разрешения), так и функциональные (прямое измерение внутримолекулярных смещений зарядов) характеристики, позволившие выяснить принцип действия данного преобразователя энергии. Он состоит во встречном движении электрона и протона, направленном поперек мембраны, причем перенос электрона ответствен за генерацию 95%-ного мембранного потенциала, а остальные 5% приходятся на перенос протона.
В Q-цикле также, по-видимому, происходит встречное движение электрона и протона, однако на долю электрона, транспортируемого между двумя темами циктохрома Ь, прпходится только 40% общего пути переноса зарядов.
Вклады электрона и протона в превращение энергии NADH— CoQ-редуктазой и цитохромоксидазой пока остаются неизвестными. Ясно лишь, что в последнем случае Н+ переносится на значительное расстояние в глубь мембраны.
В бактериородопсине и трансгидрогеназе через мембрану транспортируется только Н+, но не е". Светозависимая генерация ДТ бактериородопсином складывается из двух основных стадий. Одна из них (меньшая по амплитуде) обусловлена переносом протона в периплазму от Шиффова основания, которым крепится ретиналь к белку. Другая (большая) стадия есть результат переноса протона из цитоплазмы к Шиффову основанию. Два ключевых вопроса остаются неясными применительно к этому механизму: 1) почему сродство Шиффова основания к протону резко снижается после изомеризации остатка ретиналя под действием света и 2) каким образом переносится протон от Шиффова основания в периплазму и из цитоплазмы к Шиффову основанию. Дальнейшая информация здесь может быть получена посредством направленного мутагенеза и ряда других методов, но окончательное решение проблемы вряд ли возможно без рентгеноструктурного анализа с атомным разрешением. Описанный более 10 лет назад Хендерсоном общий контур семи а-спиральных колонн сегодня уже не может удовлетворить исследователей бактериородопсина.
Дальнейший анализ структуры и функции Н+—АТР-синтазы необходим для выяснения принципа действия этого важнейшего потребителя Д[Щ. Все еще неясна стехиометрия Н:АТР. Обсуждаются величины 2 и 3. Если верна величина 2, то возможен «пря-
422
8. Мембранная биоэнергетика: некоторые итоги и перспективы
мой» механизм, предполагающий, что два протона, переносимые через F0, поглощаются непосредственно при образовании той молекулы Н20, которая получается в результате соединения ADP и фосфата в АТР. Другая возможность состоит в том, что синтез АТР как-то непрямо сопряжен с переносом двух (трех?) протонов через мембрану. Как и в упомянутых выше случаях, структурные исследования высокого разрешения крайне нужны для понимания принципа работы этого ферментного комплекса.
Мы находимся еще в самом начале пути к пониманию механизма Н+—АТРаз ЕгЕ2-типа, обнаруженных во внешней клеточной мембране растений и грибов. Здесь может быть полезно сравнительное изучение этих ферментов и Na+/K+—АТРазы, поскольку Н+—АТРазы были описаны гораздо позже и потому изучены не столь подробно, как Na+/K+—АТРаза. Еще позже была открыта Н+—АТРаза тонопласта. Механизм ее действия совершенно не ясен.
Что касается тех потребителей АрН, которые осуществляют концентрирование веществ в клетках или органеллах, то большинство такого рода систем, по-видимому, уже описано. Некоторые переносчики очищены и реконструированы в протеолипосомы. В ряде случаев был исследован механизм их действия, хотя без решающих успехов, так что до сих пор приходится довольствоваться гипотетическими схемами, основанными на косвенных (главным образом кинетических) данных. AjIH-зависимый транспорт белков и нуклеиновых кислот — одна из наиболее интересных проблем в этом разделе биоэнергетики.
Для всех перечисленных выше преобразователей энергии применимы традиционные методы исследования структуры и функции белков. Такие подходы, вероятно, недостаточны, если речь идет о Н+- и Na+-M0T0pax. Прогресс в понимании этих, пожалуй, наиболее своеобразных мембранных трансформаторов энергии требует разработки каких-то совершенно новых подходов. Данная проблема представляется нам особенно важной, поскольку белковые субъединицы, вращающиеся в плоскости мембраны, могут быть составной частью не только флагеллярного мотора, но также переносчиков макромолекул, Н+—АТР-синтазы и т. д.
Изучая механизм транспорта протонов через мембраны, мы должны иметь в виду, что Н+ не уникален как сопрягающий ион. Поэтому схемы, применимые только к Н+, но не к Na+, недостаточны для объяснения всей совокупности превращения энергии в биомембранах.
Многообещающим направлением будущих исследований может стать изучение роли нитчатых и сетчатых митохондрий в качестве внутриклеточных протонных кабелей. Интересен вопрос, возможна ли межклеточная передача энергии через шестимембранные контакты, образованные плазмалеммами и митохондриями соседних клеток.
