бране [Дц.н+ остается примерно постоянным (рис. 4.8)]. В этих условиях, например в присутствии М-эт;илма-леимида, блокирующего перенос эндогенного Pt (разд. 7.6), быстро возникает ДрН около двух единиц, и значительного накопления Са2+ не происходит.

Если в среде присутствует проникающая слабая кислота, то, накапливаясь в матриксе, она приведет к рассеиванию ДрН,

Взаимоотношения между органеллами и средой

171

возрастанию Дф и дальнейшему накоплению Са2+. Такой кислотой может служить, например, уксусная. Фосфат же не только рассеивает ДрН, но и образует в матриксе нерастворимый комплекс Саз(РС>4)2, что приводит к накоплению очень боль-щих количеств Са2+. Иногда, по неясным еще причинам, митохондрии могут набухать, снижать свой мембранный потенциал и терять накопленный Са2+. Этот выброс можно усилить, добавив фосфоенолпируват, атрактилат, или окислив NAD(P)H в матриксе (например, с помощью ацетоацетата), или предотвратить, добавив в среду АТР или ADP в низких концентрациях.

Выход Са2+ в последнем случае не следует путать с описанным выше путем выхода, который не связан со снижением Дф.

8.5. ТРАНСПОРТ В БАКТЕРИЯХ

(Обзоры: Hamilton, 1975, 1977; Harold, 1977; Wilson, 1978)

Бактерии приспособлены к жизни в гораздо более вариабельных и обычно менее благоприятных условиях окружающей среды, чем митохондрии или хлоропласты. В результате бактерии приобрели целый ряд систем для транспорта субстратов, таких, как аминокислоты и сахара. Первоначально хемиосмотическая теория Митчелла возникла из попыток объяснить механизм «активного транспорта» в бактериях. Интересно отметить поэтому, что одна из бактериальных транспортных систем — фосфотрансферазная —¦ представляет собой пример механизма, наиболее близкого к гипотетическому механизму «векторной транслокации групп». Второй класс бактериальных транспортных систем — это «хемиосмотические» механизмы, сопряженные с переносом протонов; третий включает ряд помп, использующих энергию гидролиза АТР.

Различные варианты хемиосмотических механизмов транспорта представлены на рис. 8.6. Простейший из них — это уни-порт положительно заряженных метаболитов, например лизина, когда равновесное распределение катиона определяется величиной мембранного потенциала. Незаряженные метаболиты, такие, как изолейцин, могут транспортироваться в симпорте с протоном, так что их накопление определяется величиной суммарного Дцн+. Анионные субстраты также могут переноситься в симпорте с протоном, но их распределение зависит лишь от величины ДрН. Нет никаких оснований, чтобы a priori исключать возможность существования различных стехиометрических соотношений при транспорте протонов и метаболитов (Rottenberg, 1976).

Пожалуй, лучше других доказан хемиосмотический механизм транспорта лактозы и других р-галактозидов с помощью /ос-пермеазы Е. coli (рис. 1.13; West, Mitchell, 1972, 1973).

172 Глава 8

АРн+

-С+

[С+],

внчтри

снаружи

u+hvuh1

4«н+

ин ¦

-нЧи

внутри

снаружи

В

a"+h'Vah'

-АН-*-Н++А~

4/tA-=-604pH-60lg

[A"j

внутри

снаружи

Рис. 8.6. Хемиосмотические механизмы накопления веществ в бактериях. А. Катионы (С+). Б. Незаряженные вещества (U). В. Анионы (А~).

Транспорт незаряженной лактозы или ее неметаболизируемого аналога — тиометилгалактозида сопряжен с симпортом одного протона.

АТР-зависимый транспорт метаболитов был обнаружен у многих видов грамотрицательных бактерий. В этих случаях транспорт, как правило, зависит от специфических связывающих белков, локализованных в периплазматическом пространстве и имеющих мол. массы 20 000—40 000. Эти белки специфически и с высоким сродством связывают определенный метаболит. Описано более 20 видов таких белков. При осмотическом разрушении клеточной стенки эти белки выходят из периплазмы и АТР-зависимый транспорт нарушается. Связывающие белки не являются переносчиками per se, но они сообщают транспортным системам специфичность и высокое сродство к субстратам. До сих пор неясно, существует ли единая АТР-за-висимая транспортная система для многих веществ или для каждого субстрата своя.

Чувствительность к осмотическому шоку является одним из

критериев, который позволяет различать Ди.н+-зависимые и

АТР-зависимые механизмы. Кроме того, Ди.н+-зависимые транспорты чувствительны к протонофорам, устойчивы к арсенату (который приводит к исчерпанию АТР в клетке) и требуют

Взаимоотношения между органеллами и средой

173

РЕР -*~^ ^«-ФерментГ^-*-НРг®-*^ Ж—

Сахар®

Фер^е,

руг

Рис. 8.7. Фосфотрансферазная система транспорта Сахаров.

1

Сахар

присутствия субстратов дыхания, если АТР-синтетаза инактиви-рована в результате мутации. Напротив, АТР-зависимые транспортные системы, чувствительные к осмотическому шоку, устойчивы к действию протонофоров, блокируются арсенатом и в мутантных бактериях с неактивной АТР-синтетазой зависят от гликолиза, а не от дыхания. АТР-зависимые транспортные системы существуют и у грамположительных бактерий, однако в этом случае в них не входят периплазматические связывающие белки.

Третий тип транспортных механизмов — это фосфотрансферазная система, катализирующая транспорт многих Сахаров, включая глюкозу, в таких бактериях, как Е. coli и Staphylococcus aureus. Отличительной чертой этой системы является то, что фосфорилирование транспортируемых Сахаров, необходимое для их дальнейшего метаболизма, совмещено с самим процессом транспорта по механизму «транслокации групп» (рис. 8.7). Эти системы характерны для облигатных и факультативных анаэробов и отсутствуют у аэробных бактерий. Фосфотрансферазная система обеспечивает транспорт всех Сахаров у S. aureus и лишь некоторых, таких, как глюкоза, у Е. coli. В качестве донора фосфата используется фосфоенолпируват, который фосфорилирует ферм«нт I. Этот фермент далее фосфорилирует небольшой термостабильный белок НРг. Оба этих компонента являются конститутивными. Они легко отделяются от мембраны и не проявляют специфичности к различным сахарам^. В S. aureus фосфатная группа переносится на растворимый фактор III, который обладает специфичностью к сахарам. Этот фактор (белок) хостоит из трех субъединиц с мол. массой 12 000, каждая из которых может связывать один фосфатный остаток. В конечном счете образуется тройной комплекс между фосфорилированным фактором III, сахаром и связанным с мембраной сахароспецифичным ферментом II. Далее происходит перенос фосфата от фактора III на сахар и собственно транспорт.

ЛИТЕРАТУРА

Akerman К. Е. О., Wikstrom М. К. F. (1976). FEBS Lett., 68, 191—197. Avron Al. (1977). Annu. Rev. Biochem., 46, 143—155. Acran M. (1978). FEBS Lett., 96, 225—232.

Banks В. E. C, Vernon C. A. (1978). Trends Biochem. Sci., 3, N156—N158. Basfiford C. L., Smith J. C. (1979). Methods Enzymol., 55, 569—586. Beinert H. (1978). Methods Enzymol., 54, 133—150. Bennett J. (1979). Trends Biochem. Sci., 4, 268—271.

Blankenship R. E., Parson W. W. (1978). Annu. Rev. Biochem., 47, 635—653. Blok M. C, Hellingwerf К J., van Dam К (1977). FEBS Lett., 76, 45—50. Boyer P. D. (1965). In: Oxidases and Related Redox Systems (Т. E. King,

H. S. Mason and M. Morrison, ed.), pp. 994—1008, New York, Wiley. Boyer P. D. (1977). Trends Biochem. Sci., 2, 38—41.

Boyer P. D., Chance В., Ernster L., Mitchell P., Racker E., Slater E. C. (1977).

Annu. Rev. Biochem., 46, 955—1026. Btand M..D. (1977). Biochem. Soc. Trans., 5, 1615—1620.

Brand M. D., Reynafarje В.. Lehninger A. L. (1976). Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 73, 437—441.

Brand M. D., Harper W. G., Nicholls D. G., Ingledew W. J. (1978). FEBS

Lett 95 125_129

Bygrave F. L. (1977). Curr. Topics Bioenerg:, 6, 259—318. Carafoli E., Crompton M. (1977). Curr. Topics Membr. Trans., 10, 151—216. Chance В., Williams G. R. (1955). J. Biol. Chem., 217, 409^-427. Chappell I. B. (1968). Brit. Med. Bull., 24, 150—157.

Chappell J. B. (1977). ATP, Carolina Biology Reader 50. Carolina Biological

Supplv Co., Burlington, N. Carolina, USA. Chappell J. B. (1979). Trends Biochem. Sci., 4, N3—N4.

Chappell J. В., Crofts A. R. (1966). In: Regulation of Metabolic Processes in

Mitochondria (J. M. Tager, S. Papa, E. Quagliariello and E. C. Staler, eds.),

pp. 293—314, Elsevier, Amsterdam. Chappell J. В., Haarhoff K. N. (1967). In: Biochemistry of Mitochondria

(E. C. Slater, Z. Kaniuga and L. Wojtchak, eds.), pp. 75—91, Academic Press,

London and New York. Clayton R. K., Sistrom W. R. (1979). The Photosynthetic Bacteria, Plenum, New

York.

Ctofts A. R., Wood P. Ai. (1977). Curr. Topics Bioenergetics, 7, 175—244. Crompton M., Carafoii E. (1979). Methods Enzymol., 56, 338—352. Crompton M., Capano M., Carafoli E. (1976). Eur. J. Biochem., 69, 453—462. Dawson A. G. (1979). Trends Biochem. Sci., 4, 171—176. DePierre J. W., Ernster L. (1977). Annu. Rev. Biochem., 46, 201—262. Downie J. A., Gibson F., Cox G. B. (1979). Annu. Rev. Biochem, 48, 103—132. Drachev L. A., Jasaitis A. A., Kaulen A. D., Kondrashin A. A., Liberman E. A.,

Nemecek I. В., Ostroumov S. A., Semenov A. Y„ Skulachev V. P. (1974).

Nature (London), 249, 321—324. Dutton P. L. (1978). Methods Enzymol., 54, 411—435.

Dutton P. L„ Prince R. C. (1978). In: The Photosynthetic Bacteria (R. K. Clay-tori and W. R. Sistrom, eds.), pp. 525—570, Plenum, New York.

Dutton P. L., Wilson D. F. (1974). Biochim. Biophys. Acta, 346, 165—212.

Eisenbach M., Caplan S. R. (1977). Trends Biochem. Sci., 2, 245—247.

Eisenbach M., Caplan S. R. (1979). Curr. Topics Membr. Trans., 12, 165—248.

Erecinska M„ Veech R. L., Wilson D. F. (1974). Arch. Biochem. Biophys., 160, 412—421.

Ernster L., Lee C. P. (1964). Annu. Rev. Biochem., 33, 7294-788. Ferguson S. I., Jones О. T. G., Kelt D. В., Sorgato M. C. (1979).-Biochem. J., 180, 75—85.

Fillingame R. H. (1980). Annu. Rev. Biochem., 49, 1079—1113.

Литература

175

Fonyo A., Ligeli E., Palmieri F., Quagliariello E. (1975). In: Biomembranes, Structure and Function (G. Gardos and I. Szasz, eds.), pp. 287—306, North-Holland, Elsevier.

Garland P. B. (1978). Nature (L