Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
Эффект был детально изучен Ноксом и Цонгом [861]. Авторы показали, что субмитохондриальные частицы, подвергнутые действию электрического поля напряженностью 30 кВ • см-1 в течение ОД мс, синтезируют 10—12 молей АТР на моль Fx. Синтез длился около секунды. Олигомицин и ДЦКД блокировали процесс. Пороговые значения по напряжению и по времени действия импульса оказались соответственно 10 кВ-см-1 и 10 мкс. Расчет показал, что АТ на мембране субмитохондриального пузырька должен быть порядка 150 мВ при напряженности поданного поля 10 кВ-см-1 (см. также [1501]).
Возникает вопрос, как может одиночный импульс напряжения, длящийся всего 0,1 мс, вызвать несколько оборотов Н+— АТР-синтазы, каждый из которых требует нескольких миллисекунд? Энергия электрического импульса не может накапливаться в делокализованной форме (например, в виде ионного градиента), поскольку направления АТ, образуемой в двух полусферах мембранного пузырька, оказываются противоположными. Объяснение, по нашему мнению, могло бы состоять в том, что поле напряженностью 30 кВ-см-1 индуцирует образование необычно высокой АТ (около 450 мВ), способной вызвать несколько оборотов ротора (скажем, фактора F0) и, следовательно, синтез нескольких молекул АТР. (Предполагается, что вращение может продолжаться по инерции некоторое время после полного рассеяния АТ.)
Альтернативное объяснение требует предположения о существовании каких-то форм локальной АрШ.
5.1.1.9. Может ли локальная AjIH участвовать в синтезе АТР?
Впервые возможная роль «локализованных» протонов в окислительном фосфорилировании была постулирована Уильямсом в 1961 г. [1601], т. е. одновременно с публикацией Митчелом его хемиосмотической гипотезы [1043]. Согласно Уильямсу, протоны, освобождающиеся при окислении донора атомов водорода, скажем CoQH2, акцептором электронов, например цитохромом, не выделяются в воду, а остаются внутри мембраны и прямо переносятся в каталитический центр АТР-синтазы, вызывая там синтез АТР. Схема Уильямса не требует замкнутых мембранных пузырьков. В то же время приходится постулировать наличие комплекса дыхательных ферментов и АТР-синтазы или специального механизма внутримембранного переноса протонов, сопрягающего дыхание с синтезом АТР.
238
5. Потребители AfiH
Все дальнейшее развитие мембранной биоэнергетики показало, что образование АТР Н+—АТР-синтазой, при дыхании и фотосинтезе требует наличия замкнутого пузырька, мембрана которого должна иметь очень низкую проницаемость для протонов.
В обширной биоэнергетической литературе не удается найти ни одного воспроизводимого наблюдения о синтезе АТР, сопряженном с переносом электронов в открытых мембранных чешуйках или олигоферментных комплексах. В то же время есть множество свидетельств в пользу необходимости AjlH, делокализован-ной по мембране замкнутого пузырька.
Один из наиболее ярких примеров роли делокализованной AjlH — опыты с ингибированием синтеза АТР потоком ионов К+ в присутствии очень низких концентраций грамицидина или ва-линомицина, когда на один пузырек приходится по одной молекуле ионофора [794, 1300].
Некоторое время тому назад была предложена компромиссная схема, предполагающая, что Н+ транспортируется поперек мембраны, но не разводится в «Тихом океане» внешней среды, а диффундирует в интерфазе или переносится вдоль мембраны особыми белками (см. обзоры: [555, 1586].
Такая схема встречает трудности, если учесть очень высокую скорость диффузии ионов Н+ в воде. Ион Н+, освобожденный, например, дыхательным ферментом в водную фазу, покрывает расстояние порядка 10мкм за 2,5 мс, т. е. за время однократного срабатывания Н+—АТР-синтазы [1546]. Это расстояние примерно в 103 раз больше, чем расстояние между дыхательными и F0FX-комплексами в митохондриальной мембране. Таким образом, нет нужды в специфическом механизме, ускоряющем перенос Н+ вдоль мембраны.
Другая трудность состоит в том, что скорости отрыва протона от последней группы протонпроводящего пути в молекуле AjlH-генератора и выхода этого протона в воду оказываются намного больше скорости Н+—АТР-синтазной реакции. Имея в виду это обстоятельство, Нахлиель и Гутман заключили, что «не должно быть различий в электрохимических потенциалах протонов в интерфазе и в объеме водной фазы» [1086].
Все сказанное свидетельствует о том, что локальная А|Щ не в состоянии поддерживать синтез АТР, по крайней мере без помощи делокализованной AjlH. В то же время нельзя исключить вклада каких-то локальных эффектов в качестве дополнительной движущей силы или активатора Н+—АТР-синтазной реакции. В этой связи можно рассмотреть два типа явлений, связанных с АрН- и A lF - с о с т а в л яющ и м и протонного потенциала.
Как мы предположили несколько лет тому назад [1413], сложный профиль сопрягающих мембран может вызывать образование небольших локальных объемов, в которых pH отличается от
5.1. Химическая работа за счет АцН
239
Рис. 79. Иллюстрация одной из возможных причин создания локальной АрН в Митохондриях — сближенность Д^Н-генераторов и Н+—АТР-синтаз, располагающихся на противостоящих друг другу участках внутренней мембраны, образующей гребень
