Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
234
5. Потребители АцН
лН4
ADP+P,
Рис. 77. Механизм действия митохондриальной Н+—АТР-синтазы: гипотеза транслокации субстратов
а — 2Н+, перенесенные через F0 в каталитический центр Fb потребляются при образовании АТР (на схеме ADPOPOg ) и Н20 из ADP и фосфата (на схеме соответственно ADPO- и
OPOg ). Следующие два иона Н+ могут вступить в реакцию только после освобождения АТР из каталитического центра. Они остаются на группах X вплоть до того момента, когда комплекс [Mg*+-ADPOPC>4 . 4Ь+]2+будетудален из этого центра под действием сил электри-
5.1. Химическая работа за счет Д)лН
235
равна 2, то они могут поглощаться при АТР-синтазной реакции:
ADP3- + PC)3- + 2H+-^ATP4-+Hs,0. (26)
Эта возможность иллюстрируется рис. 77, а.
Если стехиометрия равна 3, дополнительный протон должен транслоцироваться из мембраны в матрикс вместе с АТР. В этом случае процесс в целом должен описываться антипортом
(АТР4- _|_ H+)/(ADP3- + РО^).
Характерная черта обсуждаемой схемы — прямое участие субстратов и продуктов реакции в утилизации или генерации А[Ш. Однако вполне возможен и совсем иной механизм. Допустим, например, что, во-первых, протоны, транспортируемые через фактор F0, не идентичны тем протонам, которые включаются в молекулу Н20 при синтезе АТР, и, во-вторых, антипорт ATP/(ADP + + Р i) между матриксом и каталитическим центром фактора Гх происходит вне электроизолирующего слоя мембраны (рис. 77, б). В этом случае AjJH могла бы тратиться на сопряженный с транспортом протонов перевод фактора Fx в конформацию, облегчающую освобождение АТР из каталитического центра. Быть может, такое изменение конформации вызывается протонированием каких-то групп в факторе Fx (см., например, [1178]). В этом случае АТР выбрасывается в воду не электрофорезом, а скорее за счет какой-то механической силы, развиваемой, например, вследствие кулоновских взаимодействий в Н+—АТР-синтазном комплексе.
Существует пример использования AptH для совершения механической работы. Это протонные моторы, вращающие жгутики многих видов подвижных бактерий (см. ниже раздел 5.3.2). В протонном моторе трансмембранный перенос Н+ каким-то образом вызывает вращение белковой структуры — М-диска, погруженного в цитоплазматическую мембрану и сочлененного со жгутиком.
В 1981 г. мы высказали предположение, что этот принцип не ограничивается Н+-мотором и что «вращающийся диск мог бы оказаться удобным приспособлением для совершения за счет А]Щ механической работы, такой, как транслокация через мембрану крупных молекул и надмолекулярных комплексов... Вращательное движение компонента, подобного М-диску, можно в принципе сопрячь с линейным перемещением транспортируемой молекулы» [1410, с. 25]. Впоследствии эта общая идея была применена Митчелом [1056] для описания Н+—АТР-синтазного механизма.
веского отталкивания, обусловленных присутствием групп ХН; б — ионы Н+, участвующие в образовании Н20 (не показаны на схеме) не идентичны тем, которые симпортируютсл с синтезированным АТР при его удалении из каталитического центра
Рис. 78. Электросинтез АТР
Батарея В генерирует разность потенциалов между двумя электродами Ei и Е2, погруженными в раствор, содержащий FoFi-протеолипосомы. Если вольтаж достаточно высок, чтобы образовать надпороговую для синтеза АТР АЧ'* на полусфере протеолипосомы, обращенной к катоду, то Н+—АТР-синтазы, локализованные в этой полусфере, образуют АТР. Синтезированный АТР используется гексокиназной ловушкой и дает глюкозо-б-фосфат(гл-б-Р). Н+—АТР-синтазы, локализованные в другой полусфере, несущей обратную А'р’, в процессе не участвуют
Вращение каких-то частей фактора F0 или F, в плоскости мембраны может объяснить кооперативность взаимодействия каталитических центров в факторе Fx. Как уже отмечалось, гидролиз АТР изолированным фактором Ft происходит очень медленно, если заполнен только один каталитический центр. Скорость реакции немедленно возрастает, когда отношение ATP:FX становится больше 1. Кроме того, описаны случаи, когда модификация хотя бы одного из трех каталитических центров фактора Fj вызывает очень сильное торможение АТРазной активности (см., например, [1192]). Создается впечатление, что быстрое расщепление АТР в данном каталитическом центре Fj возможно только при условии, что еще одна молекула АТР атакует один из двух других каталитических центров.
Может быть, все три каталитических центра одновременно участвуют в гидролизе трех молекул АТР, катализируя в каждый конкретный момент времени разные стадии этого процесса [1421]. Вращение факторов F0 или Fa может решить проблему, как сопрячь Непроводящий путь фактора F0 с тем из каталитических центров Fj, который уже готов передать протоны фактору F0.
Вращение компонентов Н+—АТР-синтазы может объяснить также парадокс, связанный с так называемым электросинтезом АТР.
5.1. Химическая работа за счет lull
237
Показано, что синтез АТР может быть вызван электрическим импульсом, приложенным к суспензии хлоропластов [635, 1322, 1609], бактерий [1501], субмитохондриальных пузырьков [675, 861, 1502] или ГоГ^протеолипосом [634, 861] (рис. 78).
