Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
Предполагается, что внутригребне-вое пространство, сообщающееся с межмембранным по периферии митохондрии, может иметь вид очень узкой щели, как это показано для митохондрий in vivo, а также для митохондрий in vitro, инкубируемых в среде с каким-либо высокомолекулярным соединением, например поливинилпирролидоном. В результате протоны, откачиваемые дыхательной цепью из матрикса во внутригребневое пространство, немедленно поглощаются Н+ — АТР-синтазой, локализованной по другую сторону внутригребневой щели <по: Ван Дам и др. [1541])
такового в макроскопическом ооъеме среды. Например, в мито-хондриях Н+ ионы, откачиваемые из матрикса, попадают во внутригребневое водное пространство — очень узкую щель, образуемую складками внутренней мембраны митохондрий. Вполне возможно, что эти ионы Н+ увлекаются назад, в матрикс ближайшей Н+—АТР-синтазой, не успевая разбавиться внемитохондри-альной средой. В результате АрН между двумя сторонами Н+— АТР-синтазы будет больше, чем между матриксом и объемом инкубационной смеси [1415]. Согласно расчетам, проведенным Кара-Ивановым [818], такая ситуация представляется достаточно реальной. Наглядная схема, иллюстрирующая подобную возможность (рис. 79), была предложена Ван Дамом [1541].
В известной мере сходная ситуация, по-видимому, имеет место в хлоропластах. Здесь фотосистема II локализована главным образом в тилакоидах, а фотосистема I и —АТР-синтаза — в ламеллах стромы. Коучковский и соавт. [677] обнаружили, что вклад фотосистемы II в фотофосфорилирование оказывается меньшим, чем фотосистемы I. Авторы объясняют такое различие высоким сопротивлением внутритилакоидного пространства для диффузии ионов Н+. По существу, это пространство — тонкая щель (менее 10 нм в поперечнике), содержащая небольшое количество воды. Коучковский и соавт. [677] предположили даже, что существуют специальные белки, облегчающие движение протонов
240
5. Потребители AfiH
по щели и их компартментализацию. Однако, по данным Берц-борна и соавт. [252], внутритилакоидная вода ведет себя как единый фонд ионов Н+. В настоящий момент нет достаточных оснований, чтобы постулировать существование специального механизма транспорта Н+ вдоль мембраны тилакоидов.
У бактерий некоторые эффекты локальной АрН могут возникать в том случае, если внешняя мембрана способна замедлять выравнивание концентраций ионов Н+ между периплазмой и средой. Указания в этом направлении можно найти в литературе [1344].
Локальная АЧ*- наряду с АрН также могла бы играть известную роль в работе Н+—АТР-синтазы. Здесь следует учитывать близкое соседство Н+—АТР-синтазы и дыхательных (либо фотосинтетических) А рЩ -г ен е р ат о р о в в природных сопрягающих мембранах. Как видно из рис. 74 (см. выше раздел 5.1.1.2), грибовидные выросты (факторы Fj) так близко расположены друг к другу в митохондриальной мембране, что там вряд ли можно поместить еще «грибы» между уже имеющимися. Дыхательные ферменты должны как-то умещаться между молекулами Н+—АТР-синтазы. О плотности упаковки ферментов во внутренней мембране митохондрий говорит расчет, показывающий, что на площадь 450 нм2 приходится в среднем один F(^-комплекс, 0,25 молекулы цитохромоксидазы, 0,125 молекулы CoQН2-цитохром с-редукта-зы и 0,025 молекулы NADH—CoQ-редуктазы [1426]. Допустим, что А^Н-генераторы случайно распределены между F(^-комплексами. Тогда окажется, что сближение тех и других на расстояние порядка нескольких нанометров должно быть не слишком редким явлением. Расстояние будет еще меньше, если допустить, что F0FX и AjIH-генераторы могут образовывать специфические суперкомплексы. Расчеты, принимающие во внимание очень низкую диэлектрическую постоянную гидрофобной сердцевины мембраны, показывают, что локальное электрическое поле, генерируемое при переносе заряда, скажем Н+, через мембрану, может заметно облегчить движение другого Н+, переносимого в противоположном направлении, если траектории двух протонов располагаются на расстоянии 4 нм или ближе. Вклад такой локальной АЧГ может быть существенным, если делокализованная AfiH оказывается несколько ниже пороговой величины процесса синтеза АТР.
В этой связи следует иметь в виду, что AjIH играет двоякую роль в образовании АТР, а именно энергетическую, создавая положительный баланс изменения свободной энергии АТР-син-тазной реакции, и кинетическую, ускоряя медленную стадию процесса.
Наличие выраженного порога на кривой зависимости синтеза АТР от АрЩ связано, по всей вероятности, со второй (кинетической) функцией, так как ниже порога не происходит синтеза АТР даже в условиях, когда общий положительный баланс энергии
5.1. Химическая работа за счет Л fill
241
создается без участия AjIH, например, при инкубации субмито-хондриальных пузырьков с глюкозой, гексокиназой, NADP+ и дегидрогеназой глюкозо-6-фосфата. (В присутствии такой ловушки синтез АТР энергетически выгоден даже без АрН.)
Если величина делокализованной АрН располагается ниже кинетического порога, сумма локальной А1? и делокализованной АрН может превысить порог и инициировать синтез АТР.
