Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
Многие мембранные преобразователи энергии содержат разного рода группы, поглощающие свет. Таковы не только пигменты фотосинтеза, но и гемы цитохромов, флавины и некоторые другие группировки редокс-ферментов. Изменения спектров поглощения или флюоресценции этих групп служат полезным орудием анализа быстрой кинетики транспорта зарядов. В некоторых случаях с той же целью измеряют поглощение или флюоресценцию ароматических аминокислотных остатков в белках — преобразователях энергии.
Итак, в гл. 2 мы рассмотрели ряд методических приемов, специфичных для исследований по энергетике биологических мембран. За рамками этого рассмотрения остались методы, обычные для энзимологии, биофизики, молекулярной биологии, биоорга-нической химии и генетики, необходимые в наши дни для проведения любого исследования биоэнергетического плана. Многие из них можно найти в сборниках [1020а]. Некоторые специальные методы, используемые при анализе определенных белков — преобразователей энергии, будут рассмотрены по ходу изложения в последующих разделах.
Глава 3
Первичные Ам Н геператоры
Первичными AjlH-генераторами называются системы, образующие протонный потенциал за счет энергетических ресурсов, поступающих в клетку извне, таких, как свет или субстраты окисления и кислород. Эти системы следует отличать от вторичных АрГН-генераторов, использующих АТР, РР;, градиенты растворимых веществ, предобразованные за счет использования ДрГН или механизмов субстратного фосфорилирования.
3.1. Циклическая светозависимая редокс-цепь фотосинтезирующих бактерий
У бактерий энергия света может быть использована для образования ДрГН посредством одного из трех механизмов: циклической редокс-цепи, нециклической редокс-цепи или бактериородопсина. В этой главе будет рассмотрена первая из названных систем.
3.1.1. Основные компоненты и принцип их действия
У пурпурных фотосинтезирующих бактерий (Rhodospinllum rub-rum, Rhodopseudomonas sphaeroides, Rps. viridis, Chromatium vinosum и некоторых других) описан циклический светозависимый процесс, единственным полезным продуктом которого является АрГН. Этот процесс локализован в цитоплазматической мембране или в хроматофорах, мелких сферических мембранных пузырьках диаметром около 50 нм, взвешенных в цитозоле бактериальной клетки.
Свет поглощается магнийпорфирином—бактериохлорофиллом (рис. 18), связанным с особым белком (этот комплекс называется светособирающей антенной), или дополнительными пигментами — каротиноидами, локализованными в той же мембране и передающими энергию возбуждения на бактериохлорофилл антенны. Возбуждение мигрирует по молекулам антенного бактериохлорофилла, пока не достигнет так называемой специальной пары — димера бактериохлорофилла, связанного с другим белком.
Белок, о котором идет речь, содержит помимо димера две молекулы мономерного бактериохлорофилла, две молекулы бак-териофеофитина, т. е. аналога бактериохлорофилла, лишенного иона Mg2+, и две молекулы убихинона (CoQ) либо одну молекулу убихинона и одну молекулу менахинона (рис. 19). Весь этот
48
3. Первичные AfiH-генераторы
СН,
пластохинон
менахинон (витамин К2)
Рис. 18. Бактериохлорофилл а — сложный эфир производного магнийпор-фирина и гидрофобного двадцатиуглеродного спирта фитола
Рис. 19. Производные хинона, участвующие в ферментативных окислитель-но-восстановительных процессах
Число изопреноидных остатков (и) варьирует у разных видов от 6 до 10. Уби- и менахино-ны найдены в мембранах бактерий и митохондрий, пластохинон — в мембранах тилакои-дов хлоропластов и цианобактерий
комплекс носит название фотосинтетического реакционного центра. Количество реакционных центров обычно на два порядка меньше, чем антенного бактериохлорофилла.
Возбужденный димер бактериохлорофилла передает электрон убихинону (CoQ). Этот процесс ориентирован поперек мембраны и протекает в направлении ее цитоплазматической стороны. Он включает ряд промежуточных этапов, на которых происходит последовательное восстановление и окисление мономера бактериохлорофилла, бактериофеофитина и связанных мета(уби)хино-нов. На схеме циклической редокс-цепи (см. ниже рис. 23) эти этапы соответствуют реакциям 1—4.
Чтобы восстановиться, CoQ должен присоединить два электрона и два протона (рис. 20). В стационарных условиях работы один
3.1. Циклическая светозависимая редокс-цепь
49
ОН о
рКот7,6 до 11,2 Е,п от +140 до+190 мВ
-Г
Н+
он
гидрохинон (QH2)
ОН
гидрохинон-анион (QH")
рК от 2,5 до 6,4
-v-*
нг ОН
семихинон-радикал (QH')
семихинон анион-радикал (Q")
хинон (Q)
Рис. 20. Этапы превращения гидрохинона в хинон
Над стрелками указаны величины рК иредокс-потенциалов (Мт) для GoQi0, измеренные-в 80%-ном этаноле или в нативных мембранах. Видно, что, несмотря на значительные-вариации этих параметров, рК пары QH2/QH“ выше, чем рК пары QH'/Q~> а Ет пары-QH_/QH' выше, чем пары Q7Q (по: Рич [1250])
из электронов поставляется реакционным центром, а другой — гемом b (рис. 21) цитохрома Ъ. (Цитохромами называются гем-содержащие белки, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Цитохромы, имеющие идентичные гемы, но разные-белковые части, обычно обозначают одной и той же буквой, на разными цифровыми индексами.) Приняв электроны, CoQ присоединяет и протоны, которые черпаются из ближайшей водной фазы (на рис. 23 — над мембраной). Образование CoQH2 описывается реакцией 5 на том же рисунке.
