Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

вает сродство адренодоксина к цитохрому Р450 [814].

Число оборотов адренодоксина гораздо выше, чем двух указанных ферментов, поэтому одна молекула восстановленного адренодоксина может обеспечить электронами несколько молекул цитохрома Р450. Указанная на рис. 6.5 стехиометрия компонентов (ре-дуктаза:адренодоксин:Р450 = 1:3:8) при условии, что лимитирующим является функционирование цитохромов Р450, создает свое-

Мембранная зизимология 271

образный эффект электронного каскада [592]. Очевидно, что при таких обстоятельствах три компонента этой простой системы не смогут образовать единый суперкомплекс, да и вряд ли формирование такого комплекса способствовало бы эффективному переносу электронов по цепи.

6.6.2. МИКРОСОМНЫЕ ЭЛЕКТРОНТРАНСПОРТНЫЕ ЦЕПИ

Электронтранспортные цепи, локализованные на цитоплазматической поверхности эндоплазматического ретикулума, участвуют также в метаболических превращениях липофильных субстратов. Как видно из рис. 6.5, существуют две такие системы, но, как недавно выяснилось, они не являются независимыми. В одной системе NADH окисляется флавопротеином цитохром й5-редуктазой, которая в свою очередь через цитохром bs восстанавливает стеарил-СоА-десатуразу. В микросомах печени десатураза является индуци-бельным ферментом. Вторая система включает в себя окисление NADPH другим флавопротеином, цитохром Р450-редуктазск1, которая затем передает электроны на целое семейство цитохромов Р450. Одни из этих цитохромов также являются индуцибельными, другие — конститутивными. Отметим, что в обеих системах число терминальных ферментов (десатуразы или Р450) значительно превышает число редуктаз в начале каждой цепи (см. рис. 6.5). Как и в Р450-содержащей системе митохондрий, число оборотов терминальных ферментов настолько мало, что небольшое число редуктаз вполне успевает обеспечить восстановительными эквивалентами все молекулы терминальных ферментов. Микросомная система не содержит каких-либо растворимых белковых компонентов, аналогичных адренодоксину; все ферменты представляют собой интегральные мембранные белки, их можно выделить из мембраны, очистить и исследовать в реконструированном виде.

В серии обстоятельных работ Штритматтер с коллегами четко показал, что цитохром &5-редуктаза и цитохром bs распределены в мембране случайным образом и взаимодействуют благодаря диффузии [1238, 1237]: эти два фермента диффундируют латерально по поверхности мембраны, а перенос электронов происходит только во время их случайных столкновений. Такой механизм реализуется как в реконструированных протеолипосомах [1238], так и в микро-сомной мембране [1237]. Диффузия, однако, не является лимитирующим процессом. В норме в системе имеется десятикратный избыток цитохрома bs над редуктазой. Такой избыток связанного с мик-Росомной мембраной экзогенного цитохрома bs кинетически эквивалентен эндогенному пулу цитохромов bs [1237]. И цитохром bs (см. Разд. 4.2.2), и цитохром й5-редуктаза являются двухдоменными белками, в которых глобулярный растворимый домен связывает про-

272 Глава 6

стетическую группу (гем или флавин), а единственный гидрофобный хвост заякоривает белок в мембране. Гемсвязывающий и флавин-связывающий домены сконструированы таким образом, чтобы облегчить перенос электрона от флавина к гему при взаимодействии этих белков [569]. Создана также реконструированная система, включающая десатуразу [391].

В более поздних исследованиях, однако, были получены серьезные указания на то, что часть цитохрома bs в микросомах не диффундирует свободно, а по крайней мере временно образует стехио-метрические комплексы с цитохромами Р450 [1427, 125, 1426] и, возможно, с NADPH-цитохром Р450-редуктазой [1072, 1428]. Таким образом, цитохром bs играет важную роль в работе электронтранс-портной цепи, включающей по крайней мере некоторые изоформы цитохрома Р450 из микросом печени [1427].

Различные цитохромы Р450 в микросомах печени окисляются целым рядом эндогенных липофильных субстратов, а также чужеродных молекул (ксенобиотиков). Если исходить из первичной структуры изоформ цитохромов Р450, то эти белки должны иметь множество трансмембранных сегментов (см., например [1114], рис. 3.12), однако экспериментальные исследования показывают, что, по-видимому, ферменты заякорены в микросомной мембране с помощью единственного трансмембранного спирального домена, расположенного ближе к N-концу полипептида [306]. NADPH-цитохром Р450-редуктаза имеет близкую структуру с большим гидрофильным доменом, прикрепленным к мембране коротким гидрофобным хвостом [1072]. Чтобы объяснить, каким образом одна молекула редуктазы может «обслужить» столь большой избыток молекул Р450, предложено два механизма. В одном постулируется существование стабильного кластера, представляющего собой молекулу редуктазы в окружении молекул цитохромов Р450. Согласно второй модели, для переноса электронов необходимы свободная диффузия и столкновение ферментов [1435]. Получены некоторые данные о формировании в реконструированных фосфолипидных протеолипосомах эквимолярных комплексов цитохрома Р450 и его редуктазы ([561, 771, 465]). Если такие комплексы действительно существуют в микросомной мембране [1428], то они, по-видимому, представляют собой временные образования, быстро распадающиеся и вновь образующиеся с участием других молекул Р450. Лишь в таком варианте единственная молекула редуктазы может восстановить много молекул цитохромов. Окончательную картину еще предстоит выяснить, но уже ясно, что компоненты микросомной цепи нельзя считать изолированными. Для успешного функционирования системы, вероятно, существенными могут оказаться какие-то сложные варианты белок-белковых взаимодействий.

Мембранная энзимологии 273

6.6.3. ДЫХАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА МИТОХОНДРИЙ [568, 837, 1190, 1532]

Внутренняя мембрана митохондрий является местом, где осуществляется окислительное фосфорилирование. Суть процесса состоит в сопряжении потока электронов, направленного от органических субстратов к кислороду, с перемещением протонов из матрикса митохондрий через мембрану в межмембранное пространство. Как и предыдущие две электронтранспортные цепи, компоненты этой системы тоже представлены не в эквимолярных количествах, т. е. дыхательная цепь не может функционировать как долгоживу-щий мультиферментный комплекс. Однако в данном случае число оборотов терминального фермента, цитохром с-оксидазы, весьма велико, а оценить, какая стадия (или стадии) является лимитирующей, в такой ситуации очень непросто [568, 837]. Цепь состоит из четырех трансмембранных мультисубъединичных комплексов, растворимого цитохрома с и убихинона-10 (см. рис. 6.5, 6.6). Перенос электронов через комплекс II (сукцинатдегидрогеназу) не сопровождается переносом протонов. Однако реакции, катализируемые комплексом I (NADH-дегидрогеназой), комплексом III (убихинол: цитохром с—оксидоредуктазой или ftci-комплексом) и комплексом IV (цитохром с-оксидазой), сопровождаются векторным переносом протонов через мембрану. Эти реакции являются электрогенными и приводят к генерации трансмембранного электрического потенциала. Такие ферменты в составе цепи называются «местами сопряжения». Относительно механизмов перемещения протонов пока нет единого мнения, хотя в литературе обсуждаются конкретные модели, в частности для комплексов III [1532] и IV [502]. Образующаяся трансмембранная разность электрохимических потенциалов протонов уменьшается за счет работы протонного канала АТР-синтазы (или Н +-АТРазы). Энергия потока используется этим ферментом для синтеза АТР (гл. 8).

Концентрация компонентов дыхательных цепей в митохондриальной мембране довольно высока, однако существование эквимолярных комплексов между образующими эти цепи мультисубъеди-

Убихинон Пластохинон

Рис. 6.6. Структурные формулы липофильных переносчиков водорода в дыхательной (убихинон) и фотосинтетической (пластохинон) электронтранспортных цепях.

274 Глава 6

ничными ферментами нельзя считать доказанным [568]. В литературе обсуждаются модели электронного транспорта с участием таких переходных долгоживущих белковых агрегатов, однако имеющиеся кинетические данные можно объяснить, не предполагая образование таких суперкомплексов [568]. Цитохром с выполняет функцию челнока, быстро переносящего электроны между комплексами III и IV, аналогично адренодоксину в содержащей цитохром Р450 системе митохондрий. При физиологической ионной силе цитохром с может диффундировать не только вдоль поверхности бислоя, но и в объеме раствора, что увеличивает его способность к быстрому переносу электронов [568]. Данная система обладает рядом особенностей, не характерных для описанных выше примеров электронтранспортных цепей.

1. Основные компоненты дыхательной цепи организованы в не-диссоциирующие комплексы. Например, комплекс III состоит из нескольких (от восьми до одиннадцати) субъединиц и содержит три гема и один железосерный центр. Перенос электронов между про-стетическими группами внутри каждого из компонентов происходит быстро и не требует их случайных столкновений.

2. Жирорастворимые переносчики водорода служат для переноса восстановительных эквивалентов не только между ферментами (от комплексов I и II к комплексу III), но и с одной стороны бислоя на другую. Показано, что убихинон обладает способностью к быстрой латеральной диффузии в плоскости мембраны, хотя вопрос о величине коэффициента диффузии не решен [568, 837]. В модельных системах убихинон также может переносить восстановительные эквиваленты через бислой [837]. Убихинон при перемещениях не выходит из мембраны, однако в ходе редокс-превращений он может захватывать или высвобождать протоны на границе раздела фаз липид—вода с любой стороны мембраны. Кинетические свойства изолированных ферментов, использующих убихинон (или его восстановленную форму убихинол) в качестве субстрата, можно с успехом анализировать, используя уравнения Михаэлиса — Ментен с соответствующими значениями Км и Итах, если известна реальная концентрация хинона в бислое [837]. Иное дело, если мы рассматриваем стационарную кинетику систем, в которых одна популяция ферментов (комплексы I и II) сопряжена с другой (комплекс III) посредством свободно диффундирующего пула хинонов как интерме-диатов. Для описания подобных систем приходится применять специальные уравнения [114]. Тот факт, что компоненты дыхательной цепи связаны через свободно диффундирующий пул хинонов, не вызывает сомнений, но в вопросе, является ли диффузия хинона лимитирующей стадией в работе электронтранспортной цепи, единого мнения среди исследователей нет [568, 837].

3. Протоны, перенесенные через мембрану при работе дыхатель-

Мембранная этимология 275

ной цепи, возвращаются обратно с помощью АТР-синтазы, замыкая тем самым протонный цикл. Механизм, по которому протоны переносятся от компонентов электронтранспонтной цепи к АТР-синтазе, тоже до конца не установлен, и этот вопрос вряд ли будет разрешен в ближайшем будущем (см. обзор [419]). Большинство исследователей считают, что протоны, переносимые через бислой, быстро приходят в равновесие со всей водной фазой. Согласно другой точке зрения, существует локализованный протонный поток и протоны переносятся либо вдоль поверхности бислоя [1174], либо внутри бислоя, либо прямо на АТР-синтазу [1256]. Большинство данных в пользу этого механизма носят косвенный характер [419], но в литературе имеются свидетельства быстрого перемещения протонов вдоль поверхности фосфолипидного монослоя в нефизиологических условиях. Возможно, при некоторых обстоятельствах такой локализованный протонный поток имеет какое-то значение ([1174]; разд. 7.5.1).

Таким образом, данная электронтранспортная система представляет собой совокупность небольшого числа высокоорганизованных комплексов, связанных между собой низкомолекулярными подвижными переносчиками, как липофильными (хинон), так и водорастворимыми (цитохром с). Кинетику переноса электронов можно объяснить в рамках модели свободно диффундирующих форм, которые могут перемещаться вдоль мембраны на расстояние более 100 А.

6.6.4. ФОТОСИНТЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА ТИЛАКОИДОВ (534, 1573, 1042]

Фотосинтетическая электронтранспортная цепь имеет много общего с дыхательной цепью митохондрий, но обладает дополнительным уровнем сложности. Как можно видеть из рис. 6.5, фотосинтетическая электронтранспортная система содержит три больших многосубъединичных трансмембранных комплекса: реакционные центры фотосистемы I и фотосистемы II и &б/-цитохромный комплекс. Кроме того, в состав цепи входят небольшие водорастворимые белки пластоцианин и ферредоксин, а также периферический белок ферредоксин-ГЧАВР+-оксидоредуктаза и мембраносвязанный переносчик водорода пластохинон (рис. 6.6). К фотосинтетической электронтранспортной системе можно также отнести светособира-Ющие комплексы, поглощающие свет и передающие энергию электронного возбуждения на два реакционных центра. Захват энергии возбуждения реакционными центрами приводит к разделению зарядов и образованию на противоположных сторонах мембраны сильного окислителя и сильного восстановителя. Это в свою очередь ведет к окислению воды до молекулярного кислорода фотосисте-

276 Глава 6

мой II и создает движущую силу для транспорта электронов по цепи, сопряженного с трансмембранным переносом протонов. Образующийся на бислое градиент электрохимических потенциалов протонов используется для синтеза АТР с помощью АТР-синтазы, называемой сопрягающим фактором. Структура фотосистемы II, по-видимому, очень похожа на структуру бактериального фотореакционного центра, которая была детально изучена методом рентгеноструктуриого анализа (гл. 3). &б/-Комплекс аналогичен комплексу III (feci-комплексу) дыхательной цепи митохондрий, а сопрягающий фактор — митохондриальной АТР-синтазе. Роль пластоцианина очень напоминает роль цитохрома с в дыхательной цепи, являющегося растворимым переносчиком электронов, а пластохинон представляет собой полный аналог убихинона в электронтранспортной системе митохондрий.

В отличие от дыхательной цепи основные мембранные комплексы представлены в фотосинтетической системе примерно в эквимо-лярном соотношении [1573] (см. рис. 6.5). Однако какие-либо серьезные указания в литературе на формирование суперкомплексов отсутствуют. Напротив, для данной системы характерна поразительная латеральная гетерогенность, в результате которой фотосистема II оказывается локализованной в гранальных, плотно упакованных участках, а фотосистема I и сопрягающий фактор — в стромальных участках тилакоида (см. разд. 4.5.2). Пластохинон и й«/-комплекс, по-видимому, распределены между этими участками равномерно. Вследствие такого латерального разделения для сопряжения двух фотосистем необходима диффузия на расстояние по крайней мере 1000 А. Скорее всего основным переносчиком восстановительных эквивалентов на такие расстояния является пластохинон, хотя скорость его латериальной диффузии точно не известна. В оптимальных условиях лимитирующей стадией, вероятно, является окисление пластохинона ^-комплексом, однако связано ли это со скоростью его латеральной диффузии или с работой сам

страница 38
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

Скачать книгу "Биомембраны - Молекулярная структура и функции" (4.40Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(30.04.2017)