а, который использует как восстановительную силу NADH, так и ???+.

В работающей митохондрии ???+ генерируется механизмами переноса электронов от NADH к 02. В экспериментальных условиях ???4" может создаваться добавкой АТР к митохондриям в отсутствие окисляемого субстрата. Таким образом, митохондрия способна к преобразованию различных форм химического потенциала; в этой системе АЕ, ???, ??, ???4? ~ ? эквивалентны и взаимозаменяемы.

Справедливость представлений о ?? и ??? иллюстрируется также поведением митохондрий и субмитохондриальных частиц при добавке ионофоров. Добавка валиномицина в суспензию дышащих митохондрий в содержащей ?+ среде вызывает вход К+, который переносится валиномицином. В результате уменьшается ??, но не меняется ???. Дальнейший выход Н+ частично восстанавливает ???4-, и матрикс становится более щелочным. Антибиотик нигерицин, представляющий собой полиэфир с одной свободной карбоксильной группой выступает в роли антипереносчика пары К+/Н+. Поэтому он может уменьшать ???, но не ?? на мембране. Таким образом, ни нигерицин, ни валиномицин поодиночке не разобщают фосфорилирование и не оказывают заметного влияния на Арн+ дышащих вывернутых субмитохондриальных частиц, выделяющих в свое внутреннее пространство протоны. Однако при комбинации этих двух соединений нигерицин обменивает внут-

29·

452

III. .МЕТАБОЛИЗМ

ренинй Н+ на внешний К+, который затем выходит с валиномици-ном; так что в конечном итоге снимаются как ???, так и ?? и прекращается синтез АТР.

12.5.5.4. Активный транспорт в бактериальных клетках

Роль АЧГ, ??? и АЕ в синтезе АТР также отмечали при наблюдении дышаших плазматических мембран бактериальных клеток. Дыхательные ферменты Е. coli локализованы в липиднон мембране; при окислении такого субстрата, как D-лактат, протоны выбрасываются наружу, генерируются ??? и ?? и поддерживается внутриклеточная [АТР]. В этом состоянии клеточная мембрана может участвовать в активном транспорте лактозы из среды. Этот транспорт внутрь осуществляется по типу симпорта, в котором вход галактозида сопровождает вход Н+ или К+. В таких мембранных пузырьках синтез АТР может индуцироваться потоком

Н+ внутрь или потоком К+ наружу и зависит от ???+, превышающей 200 мВ, но не зависит от того, чей вклад, ??? или ??, больше в создании ???+.

Хотя в рамках химиосмотической гипотезы, по-видимому, получает рациональное объяснение и связывается воедино большое число наблюдений, несколько важных вопросов остаются нерешенными. Например, часто экспериментально находят, что ???+250 мВ. Требуют разъяснения механизм и стехиометрия секреции протонов. Эффекты известных соединений-разобщителей не объясняются только их относительной липофпльностью и не находятся в прямом соответствии с их константами диссоциации слабых кислот. Механизм действия АТР-синтетазы неизвестен; неясно также, каким образом процессы, происходящие в ее активном центре, управляются ?|??+· Обмен кислорода Н2Ю с Р/, катализируемый этим ферментом, не получил еще адекватного объяснения. Вместе с тем очень многие экспериментальные наблюдения принципиально вполне укладываются в рамки этого красивого единого объяснения; это оправдывает его признание в настоящее время.

12.5.6. Митохондрии бурого жира

Всем позвоночным в молодом возрасте для образования тепла, в дополнение к механизму мышечного тремора, необходимо термогенное устройство. Такого рода устройство особенно важно для животных, впадающих в зимнюю спячку. Мышцы в состоянии тремора сокращаются при отсутствии нагрузки, используя сократительные белки для гидролиза АТР обычным для мышечных клеток

12. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. I

453

образом н освобождая в виде тепла всю энергию, потенциально доступную при гидролизе АТР. Необходимость особого термогенного устройства определяется прочно сопряженным окислительным фосфорилированием нормальных митохондрий. Если бы этот процесс мог быть разобщен, как это бывает в присутствии динит-рофенола, он мог бы служить в качестве адекватного приспособления, производящего тепло; именно так это и происходит в митохондриях бурого жира. Хотя эти митохондрии обладают обычной обратимой АТРазой, в них имеется также трансмембранная протонная транслоказа, посредством которой протоны могут возвращаться в матрикс и электрически шунтировать работу АТРазы. Представляется вероятным, что в действительности носитель транспортирует гидроксидные ионы из матрикса в межмембранное пространство; при этом, однако, достигается тот же результат. Если этот процесс достаточен для того, чтобы поддерживать Арн+ значительно ниже 200 мВ, синтез АТР становится невозможным и окислительный процесс протекает свободно, в результате чего вся энергия освобождается в виде тепла.

12.5.7. Эволюционное происхождение митохондрий

Органелла, приспособленная для использования атмосферного кислорода при окислении различных субстратов с последующим синтезом АТР, не могла бы возникнуть до тех пор, пока кислород не появился в первичной восстановительной атмосфере благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов. Результаты многочисленных наблюдений дают основания предполагать, что митохондрия в ее настоящем виде образовалась в результате успешного симбиоза эукариотной клетки, имевшей хорошо развитый гликолитический (анаэробный) путь метаболизма, и (не имевшей ядра) прокариотной клетки, которая обладала мембранной дыхательной цепью переноса электронов. Даже современные митохондрии располагают своим собственным генетическим аппаратом (ДНК, рибосомы) и обладают способностью изготовлять белки, основываясь на информации своей собственной ДНК (гл. 26). Однако лишь часть всех митохондриальных белков, а именно около дюжины полипептидных цепей, производится этим аппаратом, включая, например, три из пяти полипептидных цепей цитохромок-сидазы, одну или две цепи цптохрома Ь, одну или две цепи АТРазы, которые являются интегральной частью мембраны. Представляется вероятным, что в митохондриях синтезируются необычно гидрофобные водонерастворимые белки, которые иначе бы подверглись самоагрегации. Таким образом удается избежать необходимости их передвижения на какое-либо расстояние через цитозоль. Инструкции по синтезу многих других полипептидных цепей заложены, как обычно, в хромосомах клеточного ядра.

451

III. МЕТАБОЛИЗМ

сукцинат

D-лактат

(FeS) /

¦ / Cvt NADH—фчавин —— (FeS)— CoQ,0—

\ \

(FeS) (Mo) Cytd формиат \

NOJ

t

4

NO?

Рис. 12.19. Электронпереносящая цепь P. dentdficans. Сплошные стрелки обозначают конститутивные ферменты. Штриховые стрелки обозначают адаптивные ферменты, образующиеся только в соответствующих условиях.

Интересный эволюционный маркер представляет собой супероксид— дисмутаза (разд. 10.2.3); аминокислотная последовательность этого фермента из митохондрий печени, имеющего в своем составе Мп2+, более напоминает прокариотический белок Е. coli, чем цитоплазматический фермент из той же ткани, содержащей Сн2+ и Zn2+. Существующая в настоящее время прокариота, которая может напоминать предка митохондрий, — это Paracoccus deni-irificans. Организация дыхательной цепи в клеточной мембране этого организма, показанная на рис. 12.19, очень похожа на митохондриальную и функционирует с жестким дыхательным контролем и Р/0=3. Эти клетки развили адаптивные приспособления для использования своих дыхательных цепей с иными, чем у митохондрии, субстратами, но основная конститутивная цепь и связанная с ней способность фосфорилирования вполне могли служить в качестве эволюционного предшественника митохондрии (гл. 27).

Литература Книги

Azzone G. F., Klingenberg ?. ?., Quagliariello ?., Siliprandi N.. eds., Membrane Proteins in Transport and Phosphorylation, North-Holland Publishing Company, Amsterdam, 1974.

Broda E., The Evolution of Bioenergetic Processes, Pergamon Press, Oxford, 1975.

Bucher Т., Sies H., eds., Inhibitors: Tools in Cell Research, Springer-Verlag, OHG, Heidelberg, 1969.

Ciba Foundation Symposia, Energy Transformation in Biological Systems, Associated Scientific Publishing, Amsterdam, 1975.

Ernster L., Estabrook R. W., Slater E. C, eds., Dynamics of Energy-transducing Membranes, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, 1974.

Goodwin T. W., ed., Metabolic Roles of Citrate, Academic Press, Inc., New York-1968.

12. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. I

455

Green D. ?., ed., The Mechanism of Energy Transduction in Biological Systems,

Ann. N. Y. Acad. Sci.. 227, 1—680, 1974. Haddock ?. ?., Hamilton W. ?., eds., Microbial Energetics, Cambridge University

Press, Cambridge, 1977. Hatefi Y., Djavadi-Ohaniance L., eds., The Structural Basis of Membrane Function,

Academic Press, Inc., New York, 1976. Kroon A. M., Saccone C., eds., The Biogenesis of Mitochondria. Academic Press,

Inc.. New York, 1974.

Lloyd D., The Mitochondria of Microorganisms, Academic Press, Inc., New York, 1974.

Lovenberg W., ed., Iron-Sulfur Proteins, Academic Press, Inc., New York, 1974.

Mehlman ?. ?., Hanson, R. W., eds.. Energy Metabolism and the Regulation of Metabolic Processes in Mitochondria. Academic Press, Inc., New York. 1972.

Mitchell P., Chemiosmotic Coupling and Energy Transduction, Glynn Research, Ltd., Bodmin, England, 1968.

Munn ?. ?., The Structure of Mitochondria, Academic Press, Inc., New York, 1974.

Packer L., ed., Biomembranes: Architecture, Biogenesis, Bioenergetics and Differentiation, Academic Press, Inc., New York, 1974. Parsons D. S., ed., Biological Membranes, Oxford University Press, London, 1975.

Racker E., A New Look at Mechanisms in Bioenergetics, Academic Press, Inc., New York, 1976.

San Pietro ?., Gest H., eds., Horizons of Bioenergetics, Academic Press., Inc., New York, 1972.

Schultz I., Cameron B. F., eds., The Molecular Basis of Electron Transport, Academic Press., Inc., New York, 1972.

Slater E. C, Kaniuga Z., Wojtczak L., eds., Biochemistry of Mitochondria, Academic Press.. Inc., New York, 1972.

Tedeschi H., Mitochondria: Structure, Bi