Osnovy_biokhimii_Uayt_tom_1 (1123309), страница 89
Текст из файла (страница 89)
В течение четверти века в теориях, касающихся механизма окнслнтельпого фосфорилировання, доминировала точка зрения, согласно которой в процессе переноса электронов по электронпереносяшей пепи должны возникать высокоэнергетические соединения, используемые затем для синтеза АТР, подобно тому как это происходит при гликолнзе (гл. 14). Но такие промежуточные продукты не были обнаружены; возможно, что они вообще не существуют.
Вместе с тем все более мощные экспериментальные доказательства свидетельствуют в пользу иной концепции, принципиально уже получившей общее признание н известной под названием химиоосмогичегкой или протондеижуи»е»! гипотезы. Основное. положение !т виолО!'г!ческое Олпсленип ! мвщрнно внугпренняя мембрана нврумсная мембрана Рис !2.!8. Общая схема окнслительного фосфорилироваиия посредством протон- двнлгущего механизма. этой концепции состоит в том, что прн соответствующей фпзпческой организации компонентов внутренней мптохондрнальной мембраны клетки используют движение протонов в направлении элсктрохнмнческого градиента (вннз по градиенту) для того, чтобы совершать такую работу, как синтез АТР нлн передвижегше других растворенных веществ против нх конпентрацнонных градиентов без образования ковалентно связанных с окнслнтельно-восстановительными парами мембраны промежуточных высокоэнергетнческнх соединений.
Для осуществлення окнслнтельного фосфорилпровзння в системе должны происходить процессы, схематпческп показанные па рнс. 12.18. По.пагают, что белки переносящей электроны цепи расположены в мембране таким образом, чтобы система работала в какомто одном направлении (векторно) „это означает, что в качестве неотьемлемой части процесса восстановления н последующего окисления последовательных электронных переносчиков протоны без сопровождающих аннонов выталкиваются с наружной стороны мембраны, т. е. в межмембранное пространство.
В результате может пронзойтн как понижение рН в жндкостп межмембранпого пространства, так н возникновение электрического потенциала Лтр на мембране; причем внутренняя сторона ее заряжается отрицательно. Возвращение протонов в обратном напрзвленпп через мембрану осуществляется через тот мембранный белок, к которому прнсоедннен Г! — АТР-снптетаза (обратнмая АТРаза) с активным центром на внутренней матрнксной стороне.
Направленце и силу пь метАволизм этому потоку протонов придают как отрицательный заряд на внутренней, матриксной стороне мембраны, так и разность концентраций протонов (ЛрН) на обеих сторонах мембраны. Именно этот поток протонов †двигательн сила реакции Сведения об источнике протонов менее определенны. Одна гипотеза утверждает, что выделяемые с наружной стороны мембраны протоны — это именна те специфические протоны, которые генерируются при окислении определенных компонентов электронпереносяшей цепи, т. е.
прн окислении 1чАРН, РМ)чН» и СоЯН. Тогда выход этих протонов должен представлять собой специфически направленный процесс, направление которого определяется физической организацией мембранных компонентов. Каждая из вышеуказанных окислительно-восстановительных пар мембраны, восстанавливаясь, должна принимать протоны из матрикса, подобно тому как она принимает электроны от своего специфического восстановителя. Другой теоретически допускаемой возможностью является векторно организованный процесс, соответствующий эффекту Бора для гемоглобина 1гл. 31).
Различные переносчики электронов в восстановленном состоянии могут отдавать один или больше протонов, освобождая их с наружной стороны мембраны, и снова захватывать протоны пз матрикса при новом окислении благодаря изменению конформации и констант диссоциации соответствующих групп. Механизм такого типа необходим для завершающей части процесса, так как протоны не вовлекаются в перенос электронов между цитохромами сь с и цитохромокспдазой, а также потому, что при окислении последней кислородом действительно потребляются протоны. Возможно, оба механизма являются действующими. Хотя и существует неясность в отношении действительного механизма выделения протонов, его реальное существование не вызывает сомнений.
Процесс легко демонстрируется в опытах с интактными митохондриями, фрагментами митохондрий или субмитохондрпальными частицами. На основании измерений ранее предполагалось, что на электронную пару на каждом «участке» фосфорилирования, т.
е. для каждого комплекса 1, 1Н и 1Ч, имеет место выход 2Н Более поздние данные свидетельствуют о возможности иной стехиометрии, а именно 4Н+ иа электронную пару на каждом участке. Этого достаточно для синтеза АТР и титрования Р~ при его транспорте в матрнкс. Пройдя через АТРазу н вернувшись в матрнкс, протоны завершают свой кругооборот. Движение протонов от высокого протонного потенциала к низкому аналогично электрическому таку, и поэтому уместно, говоря о нем, употреблять термин «протониый ток». 44Т 1Е БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. 1 12.5.5.1. Мнтоханарнал»нан АТР»»л Основным компонентом элементарных частиц, выступающих на поверхности внутренней мембраны, является комплекс У, или Са-'»- Мя'+-зависимая АТРаза, первоначально названная сопрягаюшпм фактором Гь участие которого требуется для синтеза АТР.
Этот холодолабильный комплекс с молекулярной массой 340000 содержит пять типов полепептидных цепей (от каждого по две), обозначаемых как а, р, Т, б и е, с молекулярными массамн 56000, 52000, 32000, 21000 и 11500 соответственно. На основании поведения фермента при диссоциации предполагается следующее расположение субъединиц: Ни одна из отдельных субъединиц не обнаруживает АТРазную активность, но эту активность можно наблюдать прп комбинации субъедиииц а и 0. Изолированный фермент содержит две прочно связанные молекулы АРР на молекулу фермента.
Они могут быть удалены с помощью нескольких процедур, включая кратковременную обработку трнпсином; процедуры не затрагивают гидролитической активности АТРазы, но вызывают утрату АТРсинтетазной активности. Отсюда следует, что та форма Гь которая содержит связанный АОР, и есть активная форма фермента в мембране. Судя по нескольким критериям, этот белок претерпевает значительное конформапионное изменение при активации мембраны потоком электронов.
Мембрана митохондрий также содержит Г« — гндрофобную субструктуру, состоящую по крайней мере из четырех полнпептидиых цепей. Полученный нз аналогичной по функции мембраны Е. СОЫ Г» относится к числу самых иеполярных белков, известных в настоящее время; ои не содержит триптофана, цистеина, серпиа н гистидина, но обогащен метионииом, глицином, лейцином и аланином. Встраивание Га в липиды мембраны объясняется его гпдрофобной природой. Считается, что Г, специфически прикреплен к Г» б-цепями. Удаление Г~ нз мембраны делает Га «проницаемым» для внешних протонов.
Просачивание протонов, по-видимому, происходит по «каналу», имеющемуся в Гл. этот канал может быть «запечатап» либо путем повторной добавки Гь либо под действием дпциклогексилкарбоднпмнда (ДЦКД, равд. 12.5.1), который коаалентпо реагирует с Гм Очевидно, простирающийся через толщу мембраны Г, и представляет собой тот канал, через который протоны переходят к активному центру АТРсннтетазы.
Вполне возможно, что эффективная (Н") н этом протонном канале может ИЕ МЕТАБОЛИЗМ быть значительно выше, чем в растворе на любой стороне мембраны, создавая на активном центре мнкросреду, которая управляет образованием АТР. Детальный механизм, посредством которого осуществляется это управление, неизвестен. Результаты наблюдспий дают основание предполагать, что фермент действует по типу «перескока» («флнп-флоп») с использованием двух площадок связывания субстрата.
ЛТР связана с одной из ннх, а вторая связывает ЛОР и Рь Изменение ферментного белка, индуцированное по крайней мере двумя протонами на молекулу, вызывает одновременное образование АТР на одной площадке и высвобождение АТР на другой и т. д. Пе ясно, является ли это изменение только конформационным или также включает образование промежуточного фермент-фосфатного комплекса. Уверенность в правильности протондвижущей гипотезы основана большей частью на результатах опытов с модельными системамн. С этой целью можно приготовить пузырьки из митохондриальных фосфоглицеридов или из фосфоглицеридов соевых бобов, в которые встроены Г~ или Г,+Го, а также, например, цитохромокспдаза, цптохром с и его восстановитель, такой, как аскорбиновая кислота.
Препараты такого типа выделяют протоны при окислении субстрата н в присутствии АРР и Р; участвуют в синтезе АТР, тогда как в обычном растворе этих белков и субстратов АТР не может образовываться. Вывернутые субмнтохондрнальные частицы (равд. 12.3.1) прн окислении сукппната илн !»АРН выделяют протоны в свое внутреннее пространство.
Если смоделированные пузырьки приготовлены таким образом, чтобы ориентация их мембраны соответствовала ориентации мембраны вывернутых субмитохондриальных частиц с ЛТРазой на наружной поверхности, то тогда внутри таких пузырьков происходит закисление, как, например, при встраивании функционирующего комплекса П1, это сопровождается синтезом ЛТР на наружной поверхности. Особенно впечатляющим оказался результат встраивания в смоделированные пузырьки полученного из пурпурной мембраны бактерии На!Обас!епит йа!Ойит бактернородопснна — соединения сходного с родопсином сетчатки (гл. 40). При освещепви эта структура «перекачивает» протоны из среды внутрь пузырька. Когда включали в пузырьки АТРазу митохондрий печени таким образом, чтобы сферические головки были на наружной стороне пузырьков, при освещении наблюдался сннтез АТР. В описанных выше модельных системах с вывернутымп пузырькамн, а также в хлоропластах при процессе фотосинтеза (гл. 16) трансмембранный градиент кислотности ЛрН вЂ” осяовная движущая сила синтеза АТР.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
