Биологический каталог




Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию

Автор Д.Д.Николс

потенциал») или электрофор етиче-ским («использующим предсуществующий потенциал»). Поскольку эти два термина обычно применяют к одному и тому же процессу, наблюдаемому в разных условиях, можно пользоваться более общим термином «электрический».

Очень важно не смешивать электрический баланс транспортных систем на молекулярном уровне, который мы обсуждаем, и общую электронейтральность суммарного переноса ионов через данную мембрану. Эта электронейтральность определяется тем, что нельзя разделить сколько-нибудь значительные количества положительных и отрицательных зарядов, не создав большого мембранного потенциала. Так, разделение 1 нмоля зарядов на внутренних мембранах 1 г митохондрий создаст на них потенциал более 200 мВ (разд. 4.2). Однако это не является препятствием для существования отдельных электрогенных процессов на молекулярном уровне до тех пор, пока они друг друга компенсируют (разд. 2.7). Нужно отметить, что результат работы прочно сопряженного электронейтрального антипортера в сопрягающей мембране вовсе не совпадает с действием двух электрогенных унипортеров для тех же ионов.

в) Сопряжен ли транспорт непосредственно с метаболизмом (рис. 2.2)?

Прочное сопряжение транспорта с метаболизмом происходит при работе ионных помп, которые являются основным компонентом системы хемиосмотического сопряжения. К таким процессам

34 Глава 2

наиболее применим термин «активный транспорт», который не следует применять к любым процессам переноса ионов против градиента концентрации. Накопление ионов может происходить и без участия ионных помп либо за счет мембранного потенциала, либо сопряженно (симпортом или антипортом) с транспортом других ионов по градиенту их концентрации. Так, например, Са2+ может накапливаться в саркоплазматическом ретикулуме при работе ионной помпы (Са2+ — АТРаза), а также в митохондриях за счет мембранного потенциала (разд. 8.4)^ Лишь в первом случае транспорт происходит «активно», в митохондрии же Са2+ поступает по электрохимическому градиенту.

Гипотеза транслокации групп (разд. 1.4) включает специфические молекулярные механизмы сопряжения транспорта ионов с метаболизмом.

г) Происходит ли транспорт через бислойные или белковые участки мембраны (рис. 2.1)?

Такое разделение транспортных систем вытекает непосредственно из жидкостно-мозаичной модели мембраны. Различия систем особенно важны в связи с тем, что механизмы транспорта через бислой, по-видимому, являются общими для различных мембран, а белковые транспортные системы в различных мембранах различны. Характеристики этих двух форм транспорта мы рассмотрим раздельно.

2.4. ПРИРОДНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ БИСЛОЙНЫХ УЧАСТКОВ МЕМБРАНЫ

Гидрофобный слой, образованный липидным бислоем, создает эффективный барьер для заряженных веществ. Поэтому бислой, кроме некоторых важных случаев (разд. 2.5), непроницаемы для катионов и анионов. Они непроницаемы также и для протонов, что является жизненно важным для энергетического сопряжения, так как благодаря этому предотвращается короткое замыкание в цепи протонного тока (разд. 4.5). Бислой обладает не только высоким электрическим сопротивлением, но и способностью выдерживать очень большие электрические поля. При мембранном потенциале 200 мВ напряженность электрического поля, приложенного к гидрофобному слою сопрягающей мембраны, превышает 300 ООО В-см-1.

Бислой хорошо проницаем для незаряженных молекул Н20, 02 и С02, а также для незаряженных форм многих низкомолекулярных кислот и оснований, таких, как аммиак и уксусная кислота. Это позволяет использовать их для изучения градиентов рН на мембранах (разд. 3.5).

Транспорт ионов через сопрягающие мембраны

35

2.5. ИНДУЦИРОВАННАЯ ИОНОФОРАМИ ИОННАЯ

ПРОНИЦАЕМОСТЬ БИСЛОЙНЫХ УЧАСТКОВ МЕМБРАН

(Обзоры: Henderson, 1971; Pressman, 1976; Gomez-Poyou, Gomez-Lojero, 1977; Ovchinnikov, 1979)

Низкая ионная проницаемость бислойных участков обусловлена высокой энергией активации переноса ионов в гидрофобную фазу. Отсюда следует, что если заряд делокализован и при

#77а Гидратная 1 (у J оболочка

ш

к+1

ур

F-K1

Рис. 2.3. Перенос иона К+ с помощью подвижного переносчика (например, валиномицина; слева) и каналообразующего ионофора (справа).

его переносе через мембрану не происходит прямого контакта заряда с бислоем, то проницаемость для него может резко возрасти. Именно это наблюдается при действии некоторых антибиотиков, синтезируемых микроорганизмами, и ряда соединений, полученных путем химического синтеза. Такие соединения называют ионофорами. Их- молекулярная масса обычно составляет. 500—2000. Они имеют гидрофобную наружную поверхность; благодаря которой растворяются в липидах, и гидрофильную внутреннюю часть, связывающую ион. Не существует достаток но веских доказательств того, что ионофоры входят в состав природных сопрягающих мембран, однако при исследовании мембран они незаменимы.

Ионофоры могут быть либо подвижными переносчиками, либо могут образовывать каналы в мембране (рис. 2.3). Подвижные переносчики диффундируют через мембрану и способны обычно осуществлять транспорт около 1000 ионов в секунду. Они могут обладать очень высокой избирательностью в отношении ионов, функционируют в искусственных многослойных мембранах, и на их функционирование влияет вязкость мембраны. Напротив, ионофоры, образующие каналы, имеют низкую ионселективность, однако работают очень быстро, обеспечивая транспорт до 107 ионов в секунду на канал.

36 Глава 2

2.5.1. ПЕРЕНОСЧИКИ ЗАРЯДОВ, НЕ ТРАНСПОРТИРУЮЩИЕ ПРОТОНЫ

Валиномицин

Ионофор валиномицин (рис. 2.4) является подвижным переносчиком, катализирующим унипорт ионов Cs+, Rb+, К+ или NH4+. Его способность транспортировать Na+ по крайней мере в 104 ниже, чем транспортировать К+. Валиномицин — это природный

А. Валиномицин

Катионная специфичность: Rb+ > К+ » Na+ > Li+

Б. Нигерицин

Катионная специфичность: К+ > Rb+ > Na* > Li*

•м+

В. Грамицидин

Катионная специфичность: U* > Rb+> К+ > Na+ > Li+

Г. А 23/87

Катионная специфичность: Са2" > Мд2+

2№-

Рис. 2.4. Некоторые транспортные процессы, катализируемые ионофорами.

антибиотик, получаемый из Streptomyces. По структуре он представляет собой депсипептид, т. е. состоит из последовательности чередующихся гидрокси- и аминокислот. При связывании с ионо-форомионы теряют свою гидратную оболочку (рис. 2.3). Na+плохо транспортируется потому, что в дегидратированном состоянии он слишком мал, чтобы эффективно взаимодействовать с обращенными внутрь молекулы валиномицина карбонильными группами. В результате энергия комплексообразования оказывается недостаточна, чтобы обеспечить дегидратацию иона. Поскольку валиномицин не заряжен и не несет ионизуемых групп, в комплексе с ионом его заряд равен заряду иона. Как свободная форма валиномицина, так и комплекс с ионом способны диффундировать через мембрану. Таким образом, каталитические количества ионофора могут обеспечить массовый транспорт катионов. В случае митохондрий, хлоропластов и искусственных бислоев

Транспорт ионов через сопрягающие мембраны

37

валиномицин эффективен в концентрации Ю-9 М, а в случае бактерий его эффективность несколько ниже.

Сопрягающие мембраны не имеют, как правило, природных электрогенных переносчиков К+. Применение ионофора позволяет индуцировать проницаемость для К+ и таким образом создать (разд. 4.2) или рассеять (разд. 4.3) мембранный потенциал, а также исследовать транспорт анионов (разд. 2.7).

Существуют и другие ионофоры, катализирующие унипорт К+, такие, как энниатины и нактины (нонактин, монактин, динактин и др., названные по числу этильных групп в молекуле). Однако эти ионофоры не имеют такой высокой селективности к К+ по сравнению с Na+, как валиномицин.

Грамицидин

Грамицидин представляет собой каналообразующий ионофор (рис. 2.4), который формирует в бислое короткоживущие проводящие димеры. Это характерно для каналообразующих ионофо-ров с низкой селективностью для протонов, моновалентных катионов и NHJ. Ионы переносятся по этим каналам, не теряя гидратной оболочки. Проводимость каналов определяется лишь скоростью диффузии ионов, что позволяет пропускать через один канал до 107 ионов в секунду.

2.5.2. ПЕРЕНОСЧИКИ ПРОТОНОВ, ТРАНСПОРТИРУЮЩИЕ ПРОТОНЫ В ОБМЕН НА ДРУГИЕ ИОНЫ

Нигерицин

Нигерицин — это линейная молекула, содержащая гетероциклические кислородсодержащие кольца и гидроксильную группу. В мембране молекула нигер^ицина циклизуется и образует структуру, сходную со структурой валиномицина, в которой атомы кислорода образуют гидрофобную область. В отличие от валиномицина нигерицин при связывании с катионом теряет протон. В результате образуется нейтральный комплекс, который затем диффундирует через мембрану как подвижный переносчик. Нигерицин подвижен также в свободной протонированной форме. Таким образом, он катализирует электронейтральный в сумме обмен К+ на Н+ (рис. 2.4). К другим ионофорам, катализирующим сходный электронейтральный обмен, принадлежат Х-537А, моненсин и дианемицин. Последние два переносят Na+ немного лучше, чем К+, а Х-537А образует комплексы практически с любыми катионами, в том числе с органическими аминами.

Нигерицин используется для изучения транспорта анионов (разд. 2.7), а также для изменения градиента рН через сопря-

38 Глава 2

гающие мембраны. Обычно считается, что нигерицин снижает Д рН на мембране, однако в действительности он лишь уравнивает градиенты К+ и Н+ и, следовательно, окончательный вид ионных градиентов зависит от условий эксперимента.

fccp

н

N-N = C'

CN

{*c-°4Z>~n'n-cC}

н+-

FCCPH

-FCCPH

FCCP"

¦FCCP"

Рис. 2.5. Протонные переносчики, катализирующие унипорт протонов через мембрану. Протонные переносчики (разобщители) — это липофиль-ные слабые кислоты, которые проникают через лнпидный бислой как в протонированной, так и депротони-рованной форме. Если на мембране существует протонный электрохимический потенциал (разд. 3.4), то протонный переносчик катализирует перенос протонов и рассеивание потенциала. FCCP- (анион карбонил-цианид-я-трифторметоксифенилгидра-зона) движется

страница 6
< 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
(25.04.2017)