Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

что и приводит к нервному импульсу.

Фоторецепторные диски морфологически отделены от плазматической мембраны клетки Молекула родопсина, поглотившая квант света, находится на расстоянии нескольких сотен нанометроа от плазматической мембраны. Для объяснения механизма передачи информации от обесцвеченной молекулы родопсина на плазматическую мембрану выдвинуты две гипотезы, каждая из которых основывается на существовании в зрительной клетке медиаторов, способствующих передаче информации от фоторецепторного диска на плазматическую мембрану Роль таких медиаторов выполняют ионы Са или циклический гуанозинмонофосфат (cGMP). В последнее время общепринято, что роль родопсина в процессах зрительного восприятия состоит ь том, чтобы контролировать уровень этих двух медиаторов в клетке.

Согласно первой (так называемой Саг 1 ) гипотезе, конформационные изменения молекулы родопсина, происходящие в результате поглощения кванта света, приводят к образованию поры в мембране диска. Эта пора служит своеобразным путем выхода Са'н из внутридискового пространства а цитоплазму. Ионы Са~ диффундируя к плазматической мембране, могут блокировать натриевые каналы плазматической мембраны. Осноаными предпосылками Са 1 гипотезы явились следующие данные: введение ионов Са2 а клетку в темноте приводит к гиперполяризации, а удаление их из клетки — к деполяризации мембраны. Введение хелатирующих агентов снижает чувствительность клетки к свету.

Согласно более вероятной нуклеотиднои гипотезе, роль переносчика сигнала от фотовозбужде"иного родопсина выполняют мо лекулы cGMP понижение уровня концентрации которых вызывает блокирование натриевых каналов.

Активируемая светом молекула родопсина метародопсии II образует специфический комплекс с находящимся в GDP-свя-занной форме трансдуцином (первое звено в цепи усиления сигнала света) и катализирует обмен связанного с его а-субъединицей GDP на GTP. GTP-Связаниая форма трансдуцина имеет низкое сродство к фотоактивированному родопсину, в результате чего после обмена GDP на GTP комплекс быстро диссоциирует. Разница в аффинности двух форм трансдуцина к родопсину дает возможность последнему совершать быстрый круговорот и активировать большое число молекул трансдуцина. После связывания GTP трансдуцин диссоциирует на комплекс р\ у-субъединиц и комплекс а-субъеди-ницы с GTP. а-Субъединица трансдуцина в GTP-связанной форме активирует цикло-СМР-зависимую фосфодиэстеразу (ФДЭ), снижая ингибиторный эффект у-субъединицы фермента. Активирующее влияние а-субъединицы трансдуцина на фосфодиэстеразу прекращается после гидролиза GTP. Однако, поскольку гидролиз GTP протекает медленно, фосфодиэстераза находится в активном состоянии достаточно долго и успевает за это время гндролизовать сотни молекул cGMP. Комплекс р. усубъедиииц трансдуцина ассоциирует с GDP-связанной формой а-субъединицы, и молекулы трансдуцина снова приобретают способность взаимодей-стаовать с фотоактивированным родопсином. Отдельная а-субъеди-ница с родопсином не взаимодействует. Далее весь цикл повторяется.

Строение трех субъединиц (а. р\ у) трансдуцина и фосфодиэстеразы а настоящее время выяснено с помощью методов белковой химии и генетической инженерии, что открывает путь к расшифровке молекулярных механизмоа зрительного возбуждения.

Увеличение концентрации cGMP при его непосредственном введении в зрительную клетку коррелирует с увеличением проницаемости цитоплазматической мембраны для ионов, приводит к деполяризации зрительной клетки и увеличивает амплитиду электрического ответа. Избыток t'GMP увеличивает латентный период ответа в зависимости от количества введенного циклического нуклеотида. Эти данные свидетельствуют в пользу того, что молекулы циклического GMP могут быть вовлечены в зрительный процесс.

На рисунке представлена схема функционирования белков зрительного каскада.

615

Характеристика отдельных биологических мембранных систем

_----Цитохром-с-оксидаза

Биологические мембраны

Цитохром с оксидаза (называемая также цитохромоксидазой, или цитохромом QQi) —конечный компонент дыхательной цепи всех аэробных организмов. Этот фермент был открыт О. Варбургом в 20-х годах нашего столетия и был назван им «дыхательным ферментом». Цитохромоксидаза играет фундаментальную роль а жизни аэробных организмов; 90% потребляемого ими кислорода используется в качестве субстраха этого фермента.

Цитохромоксидаза, расположенная в эукариотических организмах во внутренней мембране митохондрий, осуществляет перенос электронов от однозлектронного донора — ферроцитохрома с к акцептору четырех электронов молекулярному кислороду. Таким образом происходит восстановление кислорода до воды и окисление цитохрома с:

Ог + 4цитс(Ре2+) + 4Н* — 2Н20 + 4цит c(Fei+)

В ходе этого процесса, вплоть до полного завершения восстановления, не обнаружено образования каких-либо промежуточных продуктов. Одна молекула срермента может катализировать окисление до 400 молекул ферроцитохрома с в секунду.

Цитохромоксидаза представляет собой мультисубъединичный интегральный мембранный белок, содержащий 2 гема а и 2 иона меди. Мономер цитохромоксидазы является минимальной функциональной единицей, хотя в нативной мембране фермент существует глааным образом в виде димеров. Гемы химически идентичны, но находятся в различном белковом окружении, что обусловливает их различные функционвльные и спектроскопические свойства.

Субъединичнын состав цитохромоксидазы сильно варьирует в зависимости от источника выделения. Так, цитохром-с-оксидазы бактерий содержат 2—3 субъединицы, митохондрий дрожжей — 7—8, а митохондрий аысших животных — 12—13 (Г. Бузе, Б. Ка-денбах). В настоящее время установлена полная аминокислотная последовательность всех субъединиц фермента из митохондрий сердца быка (Г. Штеффенс, Г. Бузе и др.). Фермент состоит из 12 субъединиц. Их молекулярные массы рааны: I — 57 ООО, 11 — 26 ООО, 111 - 30 ООО, IV — 17 ООО. V — 12 500, остальных субъединиц от 5 ООО до 10 ООО. Первичная структура субъедиииц 1 и 111 предсказана на основании нуклеотидной последовательности соответствующих структурных генов митохондриальной ДНК (Ф. Сеигер и др.). Молекула цитохромоксидазы содержит, по-видимому, по одной копии большинства субъединиц. Биосинтез трех больших субъединиц (I—111) происходит в митохондриях, остальные субъединицы синтезируются в цитоплазме в виде предшественников с N концевыми сигнальными последовательностями (от 2 ООО до 6 ООО), необходимыми для транспорта через мембрану. Детали процесса самосборки активного комплекса из отдельных субъединиц пока не выяснены. Считается общепризнанным, что субъединицы 1 и И участвуют в связывании простетических групп (гемов и ионов меди) и образовании 4 окислительно-восстановительных центров. Точная локализация простетических групп в а побелках затруднена, так как они ие связаны ковалентно с аминокислотными остатками этих белков и легко теряются при выделении субъединиц.

В результате функционирования цитохромоксидазы происходит генерация электрохимического градиента протонов--движущей силы синтеза АТР. Долгое время предполагалось, что фермент осуществляет этот процесс, катализируя перенос электроном, а эквивалентное число протонов, необходимых для образо вания молекулы воды, поглощается из матрикса. В настоящее время имеется ряд убедительных данных, свидетельствующих о том, что цитохромоксидаза функционирует как истинный протонный насос и в действительности на один транспортируемый электрон переносится два протона, один из которых используется в ал-Си-центре, где происходит восстановление кислорода, а второй пересекает мембрану. Предполагается, что основная роль а транспорте протонов принадлежит субъедииице 111.

Показано, что обработка цитохромоксидазы дициклогексил-карбодиимидом (DCC) приводит к потере протон-транслоцирукэшей активности, а то аремя как транспорт электронов практически не затрагивается. DCC в данном случае модифицирует главным образом остатки Clu-90 субъединицы III. Этот район полипептида расположен внутри мембраны и структурно подобен DCC-связывающему участку протеолипида Н -АТФазы. Потеря протон-транслоцирующей активности происходит под действием антител к 111 субъедииице. Препараты цитохромоксидазы, из которых избирательно удалена субъединица 111 (например, с помощью хроматографии комплекса на ДЭАЭ-агарозе), не способны к переносу протонов после реконструкции в липосомы; транспорт электронов при этом не нарушается.

Общие представления о пространственном строении молекулы цитохромоксидазы получены при электрон но-микроскопическом анализе двумерных кристаллов этого белка (Р. Хеидерсеи, Р. Ка-пальди). Согласно этой модели (рис. 333) молекула напоминает по форме букау Y, и общая длина ее ~ 11 нм. Два верхних домена (Mi и М ) в основном погружены в липидный бислой и выступают в матрикс на —2 им, а нижняя часть молекулы (С) экспонирована в цитозоль на 5,5 нм. Расстояние между центрами М и М . ~- 4 нм.

617

Характеристика отдельных биологических мембранных систем

Put .13Л. Трехмерная модель мономера циюхрчмоксилазы [разрешение - 1.5

Г'М>

618

Биологические мембраны

Митчелл |Mitchell) Питер (р. 1920), английский химик. Окончил Кембриджский университет (1950), с 1964 г — научный руководитель Глинновского исследовательского института в Корнуолле. Основные работы — по изучению направленности биохимических реакций в пространстве. Разработал хемиосмотическую теорию окислительного фосфорилирования (1961 — 1966). Лауреат Нобелевской премии по химии (1978).

Домен Mi больше по объему, чем М^. Методом малоуглового рентгеновского рассеяния показано, что оба эти домена содержат ее-спиральные структуры, перпендикулярные липидному бислою (8—12 сс-спиралей в Mi и 5—8 в М>).

Для исследования пространственной организации молекулы фермента в мембране широко используются методы химической модификации иепроникающими, гидрофобными и кросс-сшивающими реагентами. В качестве непроникающих меток применяются также антитела к отдельным субъединицам. По имеющимся данным, предложена следующая модель организации цитохромоксидазы в мембране.

Цитохромоксидаза объединяет в себе свойства нескольких металлопротеинов. выполняющих транспортные или окислительно-восстановительные функции для осуществления более сложной комбинации процессов, включающих связывание и восстановление кислорода и транспорт электронов и протонов. Реальные механизмы этих реакций, так же как и многие вопросы относительно структурной организации фермента, в настоящее время неизвестны.

Транспортные

аденозинтрифосфатазы (АТФазы)

Важнейшую роль в клетке играют мембранные системы актиа-ного (т. е. энергозависимого) транспорта катионоа против градиента их электрохимического потенциала, использующие для процесса транслокации энергию гидролиза АТР и объединенные под названием транспортных аденозинтрифосфатаз, или ионных насосов.

Все известные транспортные АТФазы in vitro способны катализировать как сопряженный с гидролизом АТР активный транспорт ионов, так и обратную реакцию — синтез АТР за счет энергии

электрохимического градиента. Выполнение in vivo преимущественно одного из этих процессов, а также принципиальные различия в структурной организации и механизмах функционирования послужили основой для разделения этих ферментов на две группы. К первой относятся Н 1 -АТФазы сопрягающих мембран (АТФ-синтетазы), ко второй — кати он-транспортирующие АТФазы, например Na +, К+-АТФаза, Са'1 -АТФаза и т. п.

Н1 -АТФаза. Обратимая протон-траислоцирующая АТФаза, или Н -АТФаза, катализирует последний этап окислительного и фотосинтетического фосфорилирования а митохондриях, хлоропластах и бактериях. Согласно хемиосмотической гипотезе Г1. Митчелла, постулированной им в 1961 г. и получившей к настоящему времени множество экспериментальных подтверждений, дыхательная или фотосинтезирующая цепь, асимметрично расположенные в мембране, генерируют разность протонных потенциалов на сопрягающей мембране. Обратный транспорт протонов посредством Н ' -АТФазы обусловливает синтез АТР из ADP и неорганического фосфата. Поэтому этот фермент иногда называют еще АТФ-синтетазой. Следует отметить, что существуют и другие теории сопряжения окисления и фосфорилирования (Ф. Липман, Э. Слейтер, П. Бойер, Р. Вильяме и др.). Однако они не получили столь широкого распространения, как гипотеза П. Митчелла.

Н АТФазы выделенные из различных эукариотических и бактериальных клеток, представляют собой сложные мембраиосая-занные комплексы и имеют весьма сходную структурную организацию (рис. 334). Их молекулярные массы равны примерно 450 ООО—500 ООО. Молекулы этих ферментоа состоят из двух частей: водорастворимой каталитической части (Fi), которая, диссоциируя с мембраны, может функционировать только как АТФаза, но ие как АТФ-синтетаза. и мембранного сектора (Fo), обладающего протон-транслоцирующей активностью. Обе части имеют сложный субъединичиый состаа. Только полный Fi -F-комплекс способен осуществлять реакции преобразования энергии, т. е. ре-

Характеристика отдельных биологических мембранных систем

Бойер |Воуег| Поп (р. 1918), американский биохимик. Окончил Висконсин ский университет профессор биохимии Калифорнийского университета ¦ Лос-Анжелесе. Основные работы — ¦ области энзимологии. Один из осио ателеи учения об окислительном фосфорили-роавнии.

Рис. 334. Модель структурной органи-тации Н -АТФазы Е. coli.

620

Биологические мембраны

Эрнстер (Ernster] Ларе (р. 1920), шведский биохимик, иностранный член АН СССР (1982). Образование получил в Стокгольмском университете (1956), с 1967 г.—профессор биохимии гам же. Основные работы посвящены Биоэнергетике, мембранной Биохимии и химическому канцерогенезу.

акции, связанные с переносом протонов через мембрану. Связывание N. N'-дициклогексилкарбодиимида (DCC) с Fu блокирует транслокацию протонов и поэтому иигибирует как синтез, так и гидролиз АТР Fi - ^-комплексом. По данным электронной микроскопии, у бактерий, митохондрий и хлоропластоа каталитическая часть Fi представляет собой сферическую глобулу с диаметром 9—10 нм, прикрепленную к мембране. В митохондриях Pi прикрепляется к внутренней мембране со стороны матрикса посредством «иожки» длиной 4,5—5 нм. Молекулярная масса F, составляет 350 ООО—400 000. Считается общепринятым, что каталитический центр гидролиза и синтеза АТР локализован на Fi. Впервые часть Fi была выделена Э. Ракером с сотрудниками а 1960 г. из митохондрий сердечной мышцы быка. Позднее было описано выделение белковой мембранной фракции митохондрий сердечной мышцы быка, сообщающей Fi чувствительность к ингибиторам. Эта фракция была названа F (индекс «0» означает чувствительность к олигомицину). Было показано, что для реконструкции F] ¦ Fo-активного комплекса необходимо добавление фосфолипидов, и установлено, что мишенью действия олигомицина является F.i. Большой вклад в изучение механизма действия как F и F , так и всего F ¦ F комплекса митохондрий внесли работы Л. Эристера и сотр.

Очищенный F F комплекс впервые был выделен Я. Kara вой hi мембран термофильных бактерий PS-3.

Н 1 -АТФазы бактерий и хлоропластов имеют близкую

страница 81
< 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 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.08.2017)