Биологический каталог




Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию

Автор Д.Д.Николс

раивании в искусственную мембрану вызывали в ней специфическую протонную проводимость (рис. 7.4).

154 Глава 7

7.4. МЕХАНИЗМ СИНТЕЗА АТР

(Обзоры: Mitchell., 1974b; Boyer et al., 1977; Kozlov, Sku-lachev, 1977)

Неизвестно, каким образом АТР-синтетаза использует энергию протонного электрохимического потенциала для сдвига равновесия АТРазной реакции в сторону синтеза АТР. Этот механизм, по-видимому, отличается от механизма работы других АТР-зависимых ионных помп, таких, как Na+, К+-АТРаза плазматической мембраны животных клеток и Са2+-АТРаза сарко-плазматического ретикулума. В отличие от этих систем в системе АТР-синтетазы не существует фосфорилированного промежуточного продукта.

Митчелл (Mitchell, 1974b) предложил гипотетический механизм, в котором протоны прямо участвуют в фосфорилировании ADP в активном центре (рис. 7.5). Согласно этой модели, два

протона переносятся за счет энергии Дц.н+ через F0 в активный центр и атакуют один из кислородных атомов в фосфате. В результате образуется вода и очень реакционноспособное производное Pi, которое прямо реагирует с ADP с образованием АТР.

В альтернативном механиз-

Снаружи Мембрана Внутри F, А

Рис. 7.5. Модель «прямого сопряжения» для синтеза АТР (Mitchell, 1974b). Ad— аденозин.

ме, предложенном Бойером, Слейтером и др., предпола^ гается не столь прямое участие переносимых протонов в синтезе АТР. В нем большое значение придается участию полипептидов Fi в этом процессе. Авторы предполагают, что свободная энергия протонного градиента используется для индукции конформационных изменений в молекуле Fi (Slater, 1974; Boyer, 1977). Конфор-мационные изменения приводят к синтезу АТР благодаря тому, что изменяется относительное сродство Fi к субстратам и продуктам АТРазной реакции. Собственно образование АТР в активном центре не требует значительных затрат энергии. Основной энергозависимой стадией синтеза АТР является освобождение свя-

АТР-синтетаза

155

АТР-синтетаза

МРсвоб^-А1Рсвяз —ADPC3« + Pi ¦*-AbVCBOi+ Pi

Конформационное изменение Миозин

АТРсвоб --ATPcesu —~ADPCM3 + Pi j!~№PCBo6 + Pi

Актин

Рис. 7.6. Модель «непрямого сопряжения» для синтеза АТР имеет много общих черт с механизмом гидролиза АТР актомиозиновым комплексом в мышцах (Chappell, 1977).

занного АТР из активного центра Fi в раствор. Примером сходного механизма может служить гидролиз АТР миозином при мышечном сокращении (рис. 7.6). В этом случае связывание АТР сопровождается большим изменением свободной энергии системы и приводит к значительным конформациоииым изменениям в белке. Гидролиз связанного АТР сопровождается значительно меньшим изменением свободной энергии (Chappell, 1977).

Ряд экспериментальных данных свидетельствует в пользу

этой модели. Во-первых, Дцьг" действительно вызывает конфор-мационные перестройки в хлоропластном CFb Экспериментально (Ryrie, Jagendorf, 1972) показано, что медленное включение атомов 3Н из 3НгО в CFi ускоряется при светозависимой генерации Дц.н+. Это указывает на изменения третичной структуры фермента. На свету повышается также связывание N-этилма-леимида с у-субъединицей CFj (McCarty, 1979). Такие конфор-мационные изменения сказываются на каталитической активности CFb В отсутствие Дц.н+ на мембране CFj не активен и не

гидролизует АТР в присутствии протонофоров. После Дцн+ -зависимой конформационной перестройки CFi может быть модифицирован реагентами, восстанавливающими дисульфидные связи, или обработан трипсином таким образом, что его каталитическая активность уже не падает при низком Др,н+. Кон-формационные изменения в митохондриальном Fi можно наблюдать благодаря изменению флуоресценции связанного с ферментом ингибитора — ауровертина (Slater, 1974).

Как Fi, так и CF, содержат центры прочного связывания адениновых нуклеотидов. Вопрос о том, являются ли связанные в этих центрах нуклеотиды промежуточными соединениями в синтезе АТР или они играют регуляторную роль, остается пока открытым (McCarty, 1979).

156 Глава 7

cr-p-V-

ADP

ATP

0 II

- p — с

I

0

H,0

Рис. 7 7. Включение l80 из воды в Pi (до четырех атомов на молекулу) указывает на обратимый синтез АТР, связанного с ATP-синтетазой. (Отметим, что кислород, образующий мостик между {5- и ^-фосфатами в АТР, попадает из ADP, а не из Р,.)

рН4

Б 2Н+

Рис. 7.8. Одна из возможных моделей функционирования АТР-синтетазы. Fi существует в двух конформациях: 1) депротонированная форма имеет центры связывания Н+ с низким сродством, которые контактируют с Fo, и каталитический центр с низким сродством к субстратам; 2) протонированная форма имеет центры связывания Н+ с высоким сродством (т. е. с повышенным рК), которые не соприкасаются с F0; в этой форме повышено также сродство активного центра к субстратам. A. ADP и Р, связываются с формой 1) в каталитическом центре с низким сродством. Б. Протоны из F0 связываются с Н+-связывающими центрами, имеющими низкое сродство, что приводит к конформацнонному изменению (В) и резкому увеличению сродства активного центра. Свободная энергия для этого перехода поступает благодаря сопряженному увеличению сродства Н+-связывающих центров. Г. АТР, прочно связанный в активном центре, теперь образуется без значительных затрат свободной энергии. Д. Если активность протонов в среде справа (матрикс) достаточно низка, то они могут диссоциировать из связывающих центров, несмотря на их высокое рК в этом информационном состоянии. Е. После диссоциации протонов конформация белка возвращается в исходное состояние, сродство каталитического центра снижается, и это приводит к освобождению связанного АТР.

АТР-синтетаза

157

Важные данные о механизме синтеза АТР были получены при изучении реакций изотопного обмена. Этот метод позволяет следить за образованием очень небольших количеств продуктов, таких, например, как связанные с ферментом промежуточные соединения. Наибольшую информацию дает обмен между Н2180 и Pi. Включение нескольких (до четырех) атомов 180 из Н2180 в молекулу Pi, которая образуется при гидролизе АТР, указывает на существование динамического равновесия синтеза — гидролиза АТР в активном центре АТР-синтетазы. Этот обмен позволяет следить за процессом синтеза АТР независимо от стадии освобождения связанного АТР в раствор (рис. 7.7). Он подавляется олигомицином и происходит лишь в присутствии ADP, но не требует Ди.н+- Итак, обратимый синтез АТР в

активном центре не требует энергии Ар-н+ а основной энергозависимой стадией является выход АТР в раствор. Более детальный анализ реакций изотопного обмена указывает на то, что Fi содержит два активных центра, которые работают поочередно (Воуег, 1977).

Сам факт конформационных изменений в Fi еще не дает объяснения механизма сопряжения синтеза АТР и переноса протонов. Как и в случае конформационных моделей переноса протонов в электронтранспортной цепи (разд. 5.4), конформа-ционная модель АТР-синтетазы должна включать ряд координированных стадий. Одна из простейших моделей показана на рис. 7.8. Согласно этой модели, энергия, запасенная в протонном электрохимическом потенциале, используется благодаря изменению сродства протонсвязывающего центра: этот центр имеет низкое сродство, когда обращен в фазу с высоким электрохимическим потенциалом (Ц-фаза), и высокое сродство к протонам, когда обращен в фазу с низким электрохимическим потенциалом протонов (М-фаза).

7.5. ТРАНСПОРТ АДЕНИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ И Pi В МИТОХОНДРИЯХ

[Обзоры: Fonyo, 1975 (фосфатный переносчик); Vignais, 1976; KHngenberg, 1979а (транслоказа адениновых нуклеотидов)]

В бактериях и хлоропластах АТР-синтетаза синтезирует АТР в том же клеточном компартменте, где происходит его использование. В митохондриях, однако, АТР синтезируется в матриксе и затем выбрасывается в цитоплазму. В суммарном процессе синтеза АТР участвуют два переносчика: переносчик фосфата, поставляющий Р| в матрикс, и транслоказа адениновых нуклеотидов, которая переносит ADP в матрикс и АТР в цитоплазму (см. рис. 7.12).

Фосфатный переносчик катализирует электронейтральный

158 Глава 7

ADP3—

ADP "ADP5"

uTP4-

АГР'1" "

ATP -ATPA"

~ADP3~

Рис. 7.9. Обменные транспортные процессы, которые катализируются трансло-казой адениновых нуклеотидов.

транспорт НгРО" либо в обмен на ОН-, либо в симпорте с Н+ (эти два варианта различить невозможно). Этот переносчик блокируется ртутными соединениями, такими, как п-хлормерку-рибензоат и мерсалил, а также N-этилмалеимидом, однако все эти ингибиторы не абсолютно специфичны. Фосфатный переносчик обладает очень высокой активностью. Распределение Pi через мембрану зависит от величины ДрН, так как транспорт происходит в симпорте с протоном. Этот фактор осложняет измерения соотношения Н+/0 в митохондриях с помощью техники кислородных пульсов, поскольку перераспределение Pi частично снимает ДрН, возникающий при дыхании (разд. 4.3).

Транслоказа адениновых нуклеотидов катализирует обмен аденозинди- или трифосфатов через внутреннюю мембрану в соотношении 1:1 (рис. 7.9). Суммарный пул адениновых нуклеотидов в матриксе (ATP + ADP + AMP) остается неизменным, так как перенос моля нуклеотида из цитоплазмы автоматически компенсируется выбросом моля нуклеотида из матрикса. Даже если митохондрии суспендированы в среде, не содержащей нуклеотидов (как это происходит при их выделении), потерь нуклеотидов обычно не наблюдается.

Транслоказа специфична к АТР и ADP (но не к AMP). Существует целый ряд специфических ингибиторов транслоказы. Так, например, атрактилозид — глюкозид, выделенный из средиземноморского чертополоха Atractylis gummifera, — является конкурентным ингибитором связывания и транспорта адениновых нуклеотидов. С ним сходен карбоксиатрактилат, который связывается с ферментом значительно прочнее (/Са=10_8М) и не вытесняется адениновыми нуклеотидами. Другой ингибитор — бонгкрековая кислота — вырабатывается Pseudomonas cocvenenans. Свое название она получила в связи с тем, что была обнаружена как токсичная примесь в пищевом продукте из кокосовых орехов — бонгкреке. Бонгкрековая к

страница 28
< 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

Скачать книгу "Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию" (1.67Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(20.07.2017)