Биологический каталог




Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию

Автор Д.Д.Николс

Рис. 1.9. Пути превращения энергии в митохондриях. А. Химическая гипотеза. Б. Хемиосмотическая гипотеза.

СНО I

СН,0Н : I _ СН.0®

NAD

NADH

т

Pi

COO®

сн2о®

ADP

АТР

COO"

Тли цера пьЪегид-3 -фосфат /,3 -Дифосфоглицерат

СН20® З-Фосфоглицерат

Кы + Box +Pi — АоГ® + Bi

red

ADP АТР

х -

X ~

•I + • р +

+ I

X -

Pi ~ ADP =

I + Bred + X ~1

"ох

X ~Р + I

X + АТР

A red + вох + ADp + Pi Аох + Bred + A'TP

Рис. 1.10. Синтез АТР при химическом сопряжении. А. Субстратное фосфорилирование в гликолизе. Б. Гипотетическое химическое сопряжение в окислительном фосфорилировании.

Дыхательная цепь

Транспорт —— протонов —

Транспорт катионов

-АТР

Дыхательная цепь

-«-Х-1-.-

t

Транспорт протонов Транспорт катионов

•АТР

Дыхательная цепь

-АТР

-> X-I-.-

Транспорт катионов t

Транспорт протонов

Рис. 1.11. Различные схемы взаимоотношений между дыханием и транспортом протонов и катионов. А. Хемиосмотическая. Б. Протонная помпа, использующая энергию химического интермедиата. В. Катионная помпа, использующая энергию химического интермедиата.

22 Глава 1

во-вторых, то, что существуют независимые от фосфата пути превращения энергии (рис. 1.10). Эту. относительно простую схему пришлось значительно усложнить после того, как была обнаружена способность митохондрий накапливать катионы, такие, как Са2+ (разд. 8.4). Пришлось предположить существование ка-тионных помп, использующих энергию интермедиата (рис. 1.11,В). Новые данные о переносе протонов при дыхании привели к появлению гипотезы о первичной роли протонных помп, использующих энергию интермедиата (рис. 1.11,Б).

Стало общепризнанным, что проверка химической гипотезы возможна лишь путем идентификации и выделения одного или нескольких предполагаемых «высокоэнергетических» интерме-диатов. Однако, за исключением нескольких вводящих в заблуждение сообщений, ни в одной из работ интермедиа™ обнаружить не удалось, хотя гипотеза предсказывала существование трех интермедиатов — производных компонентов дыхательной цепи (таких, как NAD+ или цитохромы), которые вряд ли могли быть пропущены при спектроскопических исследованиях.

Первоначально хемиосмотическая гипотеза возникла не-в связи с проблемой окислительного фосфорилирования, а в связи с механизмом активного транспорта веществ через клеточные мембраны, выяснению которого был посвящен ряд работ Митчелла. Особенно Митчелла интересовал вопрос, как ненаправленные (в пространстве) химические реакции могут вызывать направленный (векторный) перенос веществ через мембрану. Он предположил, что структура транспортных белков позволяет субстратам и продуктам проникать в активный центр и покидать его лишь по определенным путям (рис. 1.12). В гипотетическом при-

SP Б

Рис. 1.12. Гипотетические модели векторного переноса групп. А. Векторный перенос фосфорильной группы Р от АТР на субстрат S (Mitchell, Moyle, 1958). Б. Векторный перенос протонов (Mitchell, 1979а).

Хемиосмотический принцип энергетического сопряжения

23

Снаружи Талактозид

Внутри ГапактозиЪ

Рис. 1.13. Хемиосмотическая схема транспорта р-галактозида у Е. coli.

мере, показанном на рис. 1.12, Л, происходит векторный перенос по белку фосфорильного остатка Р от АТР к субстрату S. Митчелл назвал такой процесс векторной транслокацией групп. На рис. 1.12, Б показан более сложный пример, в котором белок, катализирующий перенос 2 Н+ + 2 е- от восстановленного субстрата АН2 к окисленному В, имеет такую структуру, что протоны и электроны движутся различными путями. Такова была основная модель Митчелла для переноса протонов в дыхательной цепи. Электроны переносятся от донора А к акцептору В по «петле», имеющей две ветви: в первой 2 Н (или правильнее 2 Н+ и 2 е-) из АН2 связаны с простетической группой типа FAD, а вторая включает только электронный переносчик, например железосер-ный центр (разд. 5.2). При переносе электронов от переносчика атомов водорода к переносчику электронов освобождаются протоны, которые выделяются векторно на наружной стороне мембраны (рис. 1.12). Хемиосмотический механизм позволял легко объяснить работу энергозависимых систем транспорта через мембрану ионов и метаболитов. Транспортные системы могут быть либо первичными (если транслокация групп прямо сопряжена с превращением метаболита), либо вторичными (если в них используется энергия электрохимического градиента ионов, создаваемого первичными системами) (рис. 1.13).

Митчелл в 1961 г. отмечал, что модели сопряжения переноса электронов с транспортом протонов рассматривались еще в 40-х годах (Lundegardh, 1945; рис. 1.14). Новизна гипотезы Митчелла состояла в предположении, что АТР-синтетаза в мито-хондриальной и фотосинтетической мембранах также способна переносить протоны и таким образом использовать энергию

Ацн> , образующейся в электронпереносящей цепи, для синтеза АТР (рис. 1.15).

Одновременно с хемиосмотической гипотезой Вильяме (1961) предложил другой гипотетический механизм сопряжения также с участием протонов и разделением зарядов. В этой гипотезе протоны передавались от дыхательной цепи к АТР-синтетазе прямо внутри мембраны, а выход их в раствор мог быть лишь побочной реакцией (см. обзоры: Williams, 1976, 1978а). Оба автора так и не пришли к соглашению о том, какая из двух гипотез возникла первой (Mitchell, 1977; Williams, 1978 b).

24 Глава 1

2HV/&, Н20

W_ м

т

2 е"

Б SHZ S 2Н+ Ш+ %02+2Н+ Нг0

Н./0 = 6 NAD

2Н+ 2Н* 2Н+

В NADH NAD* 1/202+2Н+ Hp

\/ТЧ^ч7

Н+/0 = 6 FMN ^eS/2UQ 4*6 2UQH2 /а а3

2Н+ 2НШ*

Ц

Рис 1 14. Различные гипотетические механизмы транспорта протонов в электронпереносящих цепях. А. По Ландегарду (Lundegardh, 1945). Б. По Митчеллу (Mitchell, 1966). В. По Митчеллу (Mitchell, 1975b).

ADP+Pi ATP+H+

ОН

н+ нго

ADP+Pi АТР+2Н*

w_

УгО'г

2Н+ HjO

Рис. 1.15. Модель векторной транслокации групп в АТР-синтетазе [пс.Митчеллу в модификации Гревилла (Grevill, 1949)]. А. 1Н+/АТР. 5. 2Н+/А1К

Хемиосмотический принцип энергетического сопряжения

25

Хемиосмотическая гипотеза в том виде, как она была предложена и развивалась Митчеллом, оставалась тесно связанной с концепцией векторной транслокации групп. Белкам дыхательной цепи отводилась пассивная роль: они содержали простетические группы и формировали векторные пути переноса. В 1965 г. Бойер впервые сформулировал идею о том, что при окислительно-восстановительных переходах в белках происходят конформа-ционные изменения, в частности такие изменения происходят в АТР-синтетазе. В «конформационной теории», в ее первоначальном виде, предполагалось, что конформационные изменения, возникающие в дыхательной цепи, могут прямо передаваться близко расположенной АТР-синтетазе и вызывать в ней «напряжение», энергия которого используется для синтеза АТР. В этой модели не было места протонному градиенту. Хотя гипотеза прямого конформационного сопряжения и не выдержала испытания временем (Boyer et al., 1977), но идея о важной роли конформаци-онных переходов в механизме переноса протонов получила широкую поддержку как альтернатива гипотезе векторной транслокации групп (разд. 5.4).

Наиболее привлекательной чертой хемиосмотической гипотезы для исследователей, занимающихся биоэнергетикой, было то, что она позволяла сразу предложить ряд экспериментов, в которых можно было бы проверить ее предсказания. В результате дальнейшее обсуждение проблемы велось по трем направлениям. Во-первых, верен ли главный постулат и является ли протонный электрохимический градиент необходимым и достаточным условием энергетического сопряжения? Во-вторых, является ли протонный цикл делокализованным, происходит ли он во внешней водной фазе, согласно Митчеллу, или же существуют локальные протонные микроциклы между отдельными комплексами дыхательной цепи и АТР-синтетазы согласно Вильямсу? В-третьих, какова роль векторной транслокации групп и конформационных изменений белков в молекулярном механизме переноса протонов?

Митчелл высказал четыре основных предположения, проверка которых была необходима для доказательства основного постулата о протонном электрохимическом сопряжении. Мы кратко остановимся на некоторых, наиболее важных экспериментах. Более полное описание этих работ можно найти в обзорах Гревилла (Greville, 1969) и Митчелла (Mitchell, 1976 b).

1. Дыхательная и фотосинтетическая электронпереносящие цепи должны переносить протоны через мембрану

Энергозависимый перенос протонов был впервые обнаружен на препаратах «разрушенных» хлоропластов (Neumann, Jagen-dorf, 1964). Перенос протонов в митохондриях был впервые за-

26 Глава 1

регистрирован Митчеллом и Мойл (Mitchell, Moyle, 1965, 1967 а) в опытах, где добавка небольшого пульса 02 к анаэробной суспензии митохондрий вызывала закисление среды (разд. 3.4). Низкие концентрации разобщителя ускоряли спад протонного градиента после исчерпания кислорода. Было показано, что стехиометрия выброса протонов согласуется с гипотезой транслокации групп (т. е. 2 Н+/2 е~ на петлю) (разд. 5.4). В условиях

постоянного дыхания была получена величина Ацн+ более 200 мВ (Mitchell, Moyle, 1969а; разд. 4.2). Направление переноса протонов было обратным в вывернутых субмитохондриальных частицах (Mitchell, Moyle, 1965). Скулачев и др. (Skulachev et al., 1970> показали, что митохондрии могут использовать протонный градиент для накопления самых различных липофильных катионов. Субмитохондриальные частицы и хроматофоры, имеющие обратную ориентацию мембран, также накапливали липофильные анионы. Поскольку крайне маловероятно, . что в митохондриях существуют энергозависимые ионные помпы, проявляющие специфичность ко всем этим синтетическим ионам, можно утверждать, что «первичной катионной помпы» (рис. 1.11, Б) не существует. В дальнейшем было показано, что очищенные комплексы дыхательной цепи могут работать как автономные протонные помпы в реконструированных системах (разд. 5.5). Это позволило отвергнуть альтернативную «химическую гипотезу» существования общей протонной помпы

страница 4
< 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
(21.11.2017)