BIOENERGETICS

TO THE CHEMIOSMOTIC THEORY

David G. Nicholls

Neurochemistry Laboratory Department of Psychiatry Ninewells Medical School University of Dundee Dundee Scotland

1982

Academic Press

A Subsidiary of Harcourt Brace Jovanovich, Publishers

London New York

Paris San Diego San Francisco

Sao Paulo Sydney Tokyo Toronto

дэвил николс

БИОЗНЕРПТГИКА

ВВЕДЕНИЕ

В ХЕМИОСМОТИЧЕСКУЮ ТЕОРИЮ

Перевод с английского

канд. биол. наук Б. В. Черняка

под редакцией

д-ра биол. наук и. А. Козлова

Москва «Мир» 1985

515177

ББК 28.07 Н63 УДК 577.1:547.9

Николе д.

Н63 Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию: Пер. с англ. —М.: Мир, 1985.— 190 с, ил.

Книга известного английского биохимика посвящена хемиосмотической теории, создатель которой П. Митчелл был удостоен в 1978 г. Нобелевской премии. Рассмотрены принципы энергетических превращений, происходящих в биологических мембранах, дана краткая характеристика клеточных структур (митохондрий, хлоропластов) и бактерий, в мембранах которых осуществляется транспорт ионов и различных биологических молекул.

Предназначена для биохимиков, биофизиков, молекулярных оио-логов, для студентов-биологов.

2007020000-039 Q ^ ^ ББК 28.07

041(01)—85 57.04

Редакция литературы по биологии

© 1982 by Academic Press Inc. (London) Ltd. © Перевод на русский язык, «Мир», 1985

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

Биоэнергетика изучает молекулярные механизмы потребления энергии живой клеткой, а также механизмы преобразованит этой энергии в форму, которая может быть использована для совершения различных видов полезной работы (биосинтез, транспорт веществ против градиентов их концентраций, мышечное сокращение, движение клеток, теплопродукция и т. д.). Другими словами, биоэнергетика — это наука о «судьбе» энергии в клетке. Солнечный свет, которому мы обязаны самим существованием жизни, служит первоначальным источником энергии для растений и фотосинтезирующих бактерий. Энергетические аспекты фотосинтеза — важная составляющая часть биоэнергетической науки. Окисление органических веществ кислородом воздуха — другой универсальный механизм потребления энергии внешней среды живыми организмами. Дыхание и фотосинтетические процессы протекают на мембранах, отличительная черта которых состоит в их крайне низкой проницаемости для ионов водорода. Энергия, улавливаемая при поглощении света растениями и фотосинтезирующими бактериями или выделяемая при окислении органических соединений дышащими организмами, запасается в конечном итоге в химической форме, в виде АТР. Это сравнительно простое (по биологическим масштабам) химическое соединение служит универсальной энергетической «валютой» живой клетки. Изучение молекулярного механизма образования АТР на биологических мембранах является основным предметом биоэнергетики.

Д. Николе — известный в кругах биоэнергетиков человек. Его исследования по механизму теплопродукции в тканях бурого жира — блестящий пример решения биоэнергетиком важной общебиологической проблемы. Однако в авторе книги «Биоэнергетика: введение в хемиосмотическую теорию» угадывается не только крупный ученый, но и опытный педагог. Это и не удивительно: Николе в течение многих лет преподает биоэнергетику в университете в шотландском городе Данди. По-видимому, именно Николс-преподаватель сумел так строго логично и лаконично изложить материал. Впрочем, Николс-ученый не остается равнодушным созерцателем лаконичного изложения проверенных фактов. Предложенная им в гл. 7 схема работы АТР-синтетазы вряд ли имеет достаточно строгое обоснование, чтобы уже сейчас «войти в учебники». Однако я не сомневаюсь в том, что эта модель АТР-синтетазы, как и некоторые другие дискуссионные части книги, вызовет интерес у читателя, независимо от того, будет ли этот читатель студентом-биохимиком, или исследователем, имеющим большой стаж работы в области биоэнергетики.

6

Предисловие редактора перевода

В предисловии своей книги Николе пишет, что она предполагает у читателя знание университетского курса биохимии. С моей точки зрения, круг читателей этой книги может быть значительно шире. Книга будет интересна и полезна не только для студентов старших курсов, аспирантов биологических специальностей и исследователей-биохимиков, но также для всех тех, кто имеет естественно-научное образование и хочет узнать, что представляет собой биоэнергетическая наука.

И. А. Козлов

ПРЕДИСЛОВИЕ

Биоэнергетика как отдельная отрасль биохимии существует вот уже 30 лет. Благодаря появлению хемиосмотической гипотезы Митчелла удалось в значительной степени упорядочить знания в этой области. Однако до сих пор как студентам, так и биохимикам — не специалистам в области биоэнергетики — очень трудно ориентироваться в текущей литературе. В большой мере это связано с разрывом, существующим между учебниками по общей биохимии, в которых многие вопросы рассматриваются поверхностно, и текущими статьями, которые обычно посвящены частным вопросам, нередко противоречат друг другу, а иногда просто непонятны.

Задача этой книги — дать введение в биоэнергетику, а не обзор последних достижений в этой области. Поэтому, во-первых, несмотря на то, что практически по каждой из рассмотренных тем в литературе существуют различные точки зрения, я буду исходить из тех представлений, которые, как мне кажется, принимаются сейчас большинством исследователей. Так, в частности, отправной точкой для изложения будет служить «основной постулат» хемиосмотической гипотезы: энергетическое сопряжение осуществляется через электрохимический градиент протонов. Во-вторых, при цитировании я ограничился наиболее доступными обзорами и очень небольшим числом оригинальных работ, которые служат лишь для иллюстрации. Эти обзоры содержат полную биоэнергетическую библиографию и позволяют значительно сократить объем книги. Я надеюсь, коллеги примут во внимание, что отбор цитируемых оригинальных работ ни в коей мере не отражает научный приоритет.

Книга рассчитана на общий уровень знаний по биохимии, эквивалентный содержанию современных учебников по общей биохимии для студентов. Таким образом, она предназначена для студентов старших курсов, аспирантов и исследователей — не специалистов в данной области.

Выражаю свою благодарность Абрахаму Талпу и TAB за рисунки. Рисунки, предшествующие гл. 2, 4—7, приводятся с разрешения журнала «Trends in Biochemical Sciences*.

Данди, сентябрь 1981

Дэвид Дж. Николе

Глава 1

хемиосмотический принцип энергетического сопряжения

1.1. ЧТО ТАКОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СОПРЯЖЕНИЕ!

Все биохимические реакции сопровождаются изменениями энергии, так что термин «биоэнергетика» можно применить ко всей биохимии. Однако исследователи, занимающиеся биоэнергетикой, ограничивают поле своей деятельности процессами определенных типов, происходящими в мембранах некоторых классов. Центральной проблемой биоэнергетики на протяжении последних 30 лет было выяснение механизма, с помощью которого энергия, освобождаемая при окислении субстратов или при поглощении света, может использоваться для катализа энерго-завксимых процессов, таких, как синтез АТР из ADP и Pi или перенос ионов через мембрану против градиента их концентрации.

Хотя синтез АТР частично происходит и в растворимых ферментных системах, все же большая часть АТР образуется в ферментных комплексах, расположенных в мембранах определенных классов. К таким «сопрягающим»" мембранам относятся плазматическая мембрана прокариотических клеток (бактерий и сине-зеленых водорослей), внутренняя мембрана митохондрий и мембрана тилакоидов хлоропластов (рис. 1.1). Механизмы синтеза АТР и транспорта ионов в этих мембранах весьма близки, несмотря на различную природу первичных источников энергии. Это позволяет выделить изучение этих механизмов в отдельную область, названную энергетическое сопряжение или биоэнергетика.

Сопрягающие мембраны имеют целый ряд отличительных черт. Каждая такая мембрана содержит белковые ансамбли двух типов. Один из них обычно называют АТРазой, хотя более правильным было бы название АТР-синтетаза, так как он катализирует энергозависимый синтез АТР из ADP и Pi. Этот комплекс присутствует во всех сопрягающих мембранах. Природа второго белкового ансамбля зависит от первичного источника энергии, используемого в данной мембране. В случае митохондрий и дышащих бактерий — это дыхательная цепь, катализирующая перенос электронов от субстратов к конечным акцепторам, таким, как 02. В хлоропластах и фотосинтезирующих бактериях сходная система обеспечивает использование энергии поглощенного кванта видимого света (рис. 1.1).

Митчелл пускается в плавание к берегам Нового Хемиосмотического Света, невзирая на бесчисленные трудности, которые ждут его на пути.

10 Глава 1

А. Внутренняя мембрана митохондрий

Ь. Плазматическая мембрана бактерий

В. Плазматическая мембрана фотосинтезирующих бактерий

Снаружи Внутри

ATP

Г Мембрана- тилакоидов хлоропластов

АТР 1

Снаружи Внутри

Рис. 1.1. Сопрягающие мембраны.

Поиск «энергетического интермедиата», связывающего эти две системы, оказался чрезвычайно сложной проблемой. Многолетние попытки найти высокоэнергетическое химическое соединение, сопрягающее окисление с синтезом АТР, не дали успеха. Была достигнута та стадия полной неясности, когда можно было смело утверждать, что «тот, кто еще не полностью запутался, просто не понимает, в чем состоит проблема». Именно в этот момент на сцене появился Питер Митчелл со своей хемиосмотической гипотезой (1961), в которой утверждалось, что единственным «интермедиатом» служит градиент протонов на мембране. Последующие, часто весьма острые дебаты между сторонниками химический, хемиосмотической и других гипотез продолжались не ослабевая в течение 15 лет (Воуег et al., 1977). Хемиосмотическая гипотеза была подвергнута самой тщательной проверке, пожалуй, более тщательной, чем любая другая биохимическая теория. Постепенно новообращенных сторонников гипотезы становилось все больше, а Питеру Митчеллу была присуждена Нобелевская премия по химии за 19