И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Электрохимический потенциал оценивает свободную энергию иона и учитывает все силы, способные побудить ион к движению из одной области в другую. Спонтанное движение ионов через мембрану из области с более высоким в область с более низким электрохимическим потенциалом представляет собой пассивный транспорт, или диффузию. Движущей силой диффузии является разность электрохимических потенциалов, или трансмембранный электрохнмическн й градиент иона др;.
Движение иона против градиента электрохимического потенциала требует энергии и называется активным транспортом. Если потенциалы ионов по обе стороны мембраны равны, т.е. др; = О, это означает, что ионные потоки через мембрану находятся в равновесии. Представим, что мембрана разделяет две области, в которых содержание ионов Н разное и электрохимические потенциалы Н соответственно равны йн; и 1тн,". Область 1: Рн; = Рй + 2,3ЯТ!В]Н ]! + ~Гчгь Область 2: рн1 = г4- + 2,3тг Т1В1Н ]з + гран ' В гл. 5 «Водный обмен» показано, что химический потенциал воды зависит не только от активности воды, но н от гндростатнческого давления в системе. В результате неравномерного распределения иона Н возникает трансмембранный градиент электрохимического потенциала дан, равный разности электрохимических потенциалов протонов по обе стороны мембраны: цн,' — цн, = дрн'= ~ЕМ~ — з+ 2 ЗАТОН ]~/ ]Н ]г ]Дж.
моль '], где Лрн — разность электрохимических потенциалов иона Н' по обе стороны мембраны; е — заряд иона Н', равный +1„' Лх~, з — разность электрических потенциалов между двумя водными Фазами, разделенными мембраной, т.е. электрический потенциал на мембране в вольтах; ]Н'], и (Н']з — молярные концентрации ионов Н' по обе стороны мембраны (индексы 1 и 2 относятся к растворам, находяшимся внутри и снаружи замкнутой мембраны). Частное от деления величины ЛИц на постоянную Гназывается протондвижушей силой Лр и измеряется в вольтах.
Если ввести константы и выразить логариФм концентраций ионов Н в единицах рН (рН = — 1я(Н ], то для температуры 25 С получим простое выражение лр = лци./Г = дх~ — 59ьрН ]мВ]. Как видно из уравнения, протондвижущая сила состоит из двух компонентов. Первый — это градиент дрН, т.е. разность концентраций ионов Н' по обе стороны мембраны.
Градиент рН заставляет ионы Н' и ОН концентрироваться около поверхности мембраны. Это приводит к возникновению мембранного потенциала Лу (второй компонент), созданного избытком положительного заряда на одной стороне мембраны и отрицательного — на другой. ЭФфект мембранного потенциала усиливается другими ионами разных знаков, которые также притягиваются и концентрируются около мембраны. Следует подчеркнуть, что, хотя одна стороны мембраны заряжена более положительно по отношению к другой, основной раствор остается в целом электронейтральным, т.е.
содержит равное число катионов и авионов. Дело в том, что число «лишних», несбалансированных ионов, Формирующих слой заряда на мембране, ничтожно мало в сравнении с общим числом ионов в растворе. КЛ. ЭН]-=РГИЯ ЛР„ИСПОЛЬЗУ]=ТСЯ ДЛЯ СИНТ]-=ЗА АТФ ИЗ АДФ И Фн ПРИ УЧАСТИИ АТФ-СИНТАЗЫ Неравномерное распределение протонов по обе стороны мембраны побуждает их к дигРФузии по градиенту концентрации и заряда, которой препятствует мембрана. Энергия Лцш, или др, является мерой свободной энергии (Лб = дии ), которая запасена на мембране и может быть освобождена, если протоны начнут проходить мембрану по градиенту своего потенциала. Эта энергия может быть использована, если есть механизм сопряжения диффузии с энергозависимой реакцией.
Такой механизм представляет собой АТФ- синтаза (Г,Г» — АХФаза, или Н' АТФаза г-тыла), интегрированный в сопрягаюшую мембрану ферментный комплекс, который использует энергию Лвн. для синтеза АТФ из АДФ и Ф„. Синтез сопряжен с обратным током протонов по градиенту своего потенциала через АТФ-синтазный комплекс, т.е. осуществляется в момент разрядки мембраны при уменьшении, или диссипации Ьйи .
94 ар = ьч — 59ьрН [ив[ Н+ АТФ-снят»за АДФ+ Фн АТФ Обе составляющие Ар — градиент АрН и мембранный потенциал АЧА — Стремятся заставить протоны пересекать мембрану по градиенту концентрации и заряда, и обе составляющие, таким образом, равноценны для синтеза АТФ. Этот тезис подтверждается в экспериментах [л зхуго.
АТФ-синтазы могут быть выделены из мембраны с помощью детергентов и встроены в искусственные мембранные пузырьки (липосомы), приготовленные из очищенных фосфолипидов. В этом случае синтез АТФ можно наблюдать, если искусственно создать градиент рН или приложить к мембране разность электрических потенциалов. Хотя основная функция АТФ-синтазы — синтез АТФ, этот фермент в определенных условиях может проявлять АТФазную активность, т.е. перекачивать протоны против градиента за счет гидролиза АТФ. Следовательно, АТФ-синтаза (Н -АТФаза) в принципе способна к взаимопревращению двух форм энергии: АТФ-сант«за АТФ АТФаза ЭнеРгиЯ Л[Ан может быть использована не только длЯ синтеза АТФ, но и в других целях. Например, в митохондриях она используется лля транспорта веществ через мембрану. Кроме того, рассеивание с[Он.
имеет значение в терморегуляторном образовании теплоты (см. гл. 4). 2.8. СИНТЕЗ АТФ СВЯЗАН С КОНФОРМАЦИОННЫМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ АТФ-СИНТАЗЫ. РОТАЦИОННЫЙ МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТА АТФ-синтазы разного происхождения — из митохондрий, хлоропластов или бактериальных мембран — имеют в целом схожее строение, что говорит о несомненно древнем эволюционном происхождении фермента. На снимках, полученных при помощи электронной микроскопии, АТФ-синтазы выглядят как локализованные в мембранах грибовидные структуры. Хорошо видно, что фермент состоит из двух частей — двух белковых комплексов, которые обозначают как фактор г, и фактор га (СР~ и Сга — для АТФ-синтазы хлоропластов). Фактор, или комплекс, Р, расположен вне мембраны и на снимках представляет собой «шляпку» гриба высотой 8 нм и шириной [О нм.
Этот гидрофильиый сферический комплекс представляет собой каталитический центр, на котором осуществляется синтез АТФ. Гидрофобный Ее-фактор интегрально встроен в мембрану и формирует канал, по которому ионы Н могут пересекать мембрану, двигаясь по градиенту своего потенциала. Более детально структура фермента была исследована с помощью рентгеноструктурного анализа с разрешением 0,28 нм на комплексах, вылеленных из митохондрий сердца быка и мембран ЕзсйеткЫа сой (рис.
2.2). Комплекс Г, состоит из пяти разных субъединиц в определенном соотношении: азбзуба. Основу его структуры составляют гомологичные субъединицы а и б, чередующиеся друг с другом. Места связывания для нуклеотидов есть на обеих субъединицах, но три активных центра, где происходит синтез АТФ, расположены в основном на субъединицах В. Субъединицы о и )3 расположены поочередно вокруг у-субъединицы, которая представляет собой стержень (= 9 нм) и, как втулка, проходит через каталитический центр, связывая факторы Е, и го.
Субъединица б, расположенная на внешней стороне одной из б-субъединиц, служит сайтом прикрепления двух Ь-субъединиц, которые заякоривают комплекс Е, в мембране. Функции а-субъединицы связаны с регуляцией: с-субьединица избирательно препятствует гидролизу АТФ. Фактор Г, легко диссоциирует от Ге и проявляет Уп инго АТФазную активность, гидролизуя АТФ.
Комплекс ге состоит из трех типов белковых субъединиц в следуюшем соотношении: а,йзсу ы. Он обеспечивает связывание Е, с мембраной и перенос протона. Небольшие, очень гилрофобные с-субъединицы, имеющие по два Рис. 2.2. Модель АТФ-синтазы Р, Ее-типа. Периферический Енфактор состоит из пяти видов субъединиц (азбзтде) и несет на б-субьединицах каталитические центры. Е,-фактор заякорен а мембране с помощью т-субъединицы и Ее-фактора. Рц-комплекс состоит из трех видов субъсдиниц в соотношении а,ьзси и. Субъединицы а и с формируют протонный канал, через который ионы Н входят с одной, а аыхолят с другой стороны мембраны.
Движение протонов внутри кольца из с-субъединиц сопровождается его вращением и врашснием связанных с ннм те-субъединиц. Ротация сопровозхдается конформационными изменениями каталнтическнх центров Еккомплекса, в которых идет синтез АТФ. По-видимому, паз-комплекс не врашается, так как удерживается в фиксированном положении с помощью б- и двух Ь-субъединиц. В митохондриях Р,-коыплекс обращен в матрикс трансмембранных участка, формируют проводящий протоны канал, который обеспечивает прохождение Н' через всю мембрану.
Интересно отметить, что такой сложный ферментный комплекс, как АТФ-синтаза, находится под двойным генетическим контролем: три субъединицы Га-фактора и а-субъединицы фактора Е, кодируются геномом митохондрий или хлоропластов, тогда как синтез остальных субъединиц контролируется ядерными генами. Исследования АТФ-синтазных комплексов велись давно, но механизм их действия и структурно-функциональная связь факторов Р, и Г«стали понятными относительно недавно.
Здесь следует отметить приоритет работ Р. Воуег и 3.%а!кег (Нобелевская премия, 1997). Благодаря исследованиям этих ученых стал понятным принцип работы фермента, получивший название ротационного механизма. Согласно ротационному механизму„энергия, освобождаемая при диффузии протонов через Ер-канал, используется для вращения г-субъединицы. Результатом ротации у-субъединицы является последовательная смена конформационных состояний активных центров, расположенных на трех (1-субьединицах Г,-комплекса. Синтез АТФ из АДФ и Ф» идет в активных центрах спонтанно благодаря конформационным перестройкам.
Энергия дцн, освобождаемая в результате протонного транспорта через Еа-канал, используется не на синтез АТФ, а для освобождения АТФ из активного центра в результате изменения его конформации. Прямое доказательство ротационного механизма было получено японскими учеными, которым удалось продемонстрировать вращение у-субъединицы относительно сидящего на пей фактора Гн Изолированный комплекс Г, был иммобилизован на неподвижной подложке, а к концу у-субъединицы был химически пришит флуоресцируюгций фрагмент нити актина длиной ! мкм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
