Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
Следует подчеркнуть, что теоретические величины P/О при синтезе АТР внутри митохондрий, а также бактерий или снаружи вывернутых субмитохондриальных (суббактериальных) пузырьков и протеолипосом должно быть выше, чем при синтезе внемитохондриального АТР. Это превышение есть следствие того обстоятельства, что здесь отсутствует антипорт ATP/(ADP -f- Р,-).
3.4. Дыхательная цепь
151
При этом максимальные значения Р/0 для NADH, сукцината и аскорбата оказываются соответственно 10:2 = 5, 6:2 = 3 и 4:2 = 2. Эти цифры намного превышают те, что получены в эксперименте с вывернутыми пузырьками и протеолипосомами. Более того, переход от интактных митохондрий к субмитохондри-альным пузырькам или протеолипосомам всегда сопровождается значительным снижением Р/О. Такой эффект обусловлен, по-видимому, тем, что мембраны субмитохондриальных пузырьков и протеолипосом характеризуются более низким электрическим сопротивлением, чем нативная мембрана митохондрии, вплоть до присутствия в препаратах пузырьков фактически незамкнутых мембранных чешуек.
Интересная проблема возникает при рассмотрении дыхательного фосфорилирования в клетках бактерий. Здесь нативная система (интактные бактерии) должна характеризоваться величиной P/О, равной 5, для NAD-зависимых субстратов, при условии, что действует дыхательная цепь митохондриального типа. Однако расчет показывает, что при столь высокой эффективности начальный и средний сегменты дыхательной цепи должны работать с энергетическим дефицитом, т. е. выделяющейся энергии не может хватить на поддержание реальных величин АТР/(АГ)Р + + Pj), наблюдающихся в клетке. Одним из путей решения этого парадокса может быть предположение о том, что бактериальная Н+—АТР-синтаза переносит не два (как в митохондриях), а три иона Н+ на каждый синтезированный АТР.
Строго говоря, точные величины отношения Н+/АТР неизвестны ни для бактерий, ни для митохондрий. Отношение Н+/АТР, равное двум, принимается для митохондрий, главным образом, исходя из измеренных значений P/О и указаний на то, что экспорт из митохондрий АТРвнутр в обмен на (ADP3- + Н2Р04)наруЖ сопряжен с импортом одного иона Н+ на один АТР. Если допустить, что антипорт ATP/(ADP + Рг) может происходить без импорта протона, а Н+—АТР-синтаза переносит ЗН+ на один АТР, то величина P/О как для митохондрий, так и для субмитохондриальных пузырьков, окисляющих NADH, будет одной и той же и равной 3,3. Такую возможность нельзя исключить, имея в виду многообразие митохондриальных транспортных систем.
Другой путь к решению этой же проблемы состоит в том, что у бактерий Н+/АТР равно двум, а Н+/0 снижено за счет уменьшения числа пунктов энергетического сопряжения в дыхательной цепи или более простого и термодинамически менее эффективного их устройства. Это обстоятельство может быть одной из причин многочисленных фактов из области бактериальной энергетики, когда оказывается, что та или иная бактерия располагает упрощенными вариантами дыхательной цепи, где сопряженный перенос электронов заменен на свободное окисление в одном или двух из трех энергообразующих сегментов цепи. Описаны также
152
3. Первичные ЛцН-геператоры
бактерии, у которых вдвое снижена эффективность того или иного дыхательного А(IIf-генератора. Выше (раздел 3.4.5.4) приводились указания на то, что некоторые бактериальные цитохромоксидазы имеют отношение Н+/е_, равное 1, а не 2, как у митохондрий. Сниженная эффективность вероятна также и для начального сегмента цепи в тех случаях, когда он просто устроен и устойчив к ротенону.
3.5. Бактериородопсин
3.5.1. Принцип действия
В 1971 г. Остерхельт и Стокениус открыли ретинальсодержащий белок в мембранах экстремально галофильной бактерии Halo-bacterium lialobium [1126]. В дальнейшем было продемонстрировано, что бактериородопсин функционирует как светозависимый Н+-насос.
Бактериородопсин представляет собой одиночный полипептид массой 26 кДа, что значительно меньше, чем у всех других известных к настоящему времени Дй] 1-генераторов. Он локализован в специальных областях цитоплазматической мембраны Н. lialobium—так называемых пурпурных бляшках, достигающих 0,5 мкм в диаметре (рис. 55). Других белков в бляшках нет, так что бактериородопсин делает свое дело, так сказать, без помощников. Обычно его молекулы in vivo образуют тримеры. Однако и в мономерной форме бактериородопсин эффективен как протонный насос.
Такие процессы, как межмолекулярный перенос окислительно-восстановительных эквивалентов или гидролиз ковалентных макроэргических связей, всегда наличествующие в других ДрН-генераторах, в бактериородопсине не обнаружены.
Согласно современной точке зрения, механизм действия бак-териородопсина состоит в следующем. Поглощение фотона остатком ретиналя, ковалентно связанным посредством альдиминной связи с е-аминогруппой Lys-216 в молекуле бактериородопсина, вызывает изомеризацию ретиналя по типу «полностью транс —? 13-цис» (рис. 56). Этот эффект сопровождается очень резким кислым сдвигом рК иминного азота Шиффова основания, который в торакс-изомере протонирован. В результате Шиффово основание теряет сродство к протону и депротонируется. Считается, что освобождающийся протон выделяется в виде иона Н+ в водную фазу снаружи клетки. Затем происходит темновая цис-транс-изомеризация, а рК Шиффова основания возвращается к исходному значению, т. е. сродство основания к протонам вновь возрастает. В результате Шиффово основание протонируется, причем для этой цели используется ион Н+, поступающий изнутри бактериальной клетки. Таким образом, вызванное светом циклическое
