И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 23
Текст из файла (страница 23)
С помощью флуоресцентного микроскопа в реальном времени удалось наблюдать вращение нити актина при работе фермента, гидролизующего АТФ. Часто АТФ-синтазу называют молекулярным мотором и используют механические термины для описания ее работы. Считается, что комплекс ц,!)з-субьединиц удерживается в фиксированном положении, так как за якорем в мембране через субъединицы 6, 2Ь, а, выполняющие функцию «статора». Ток Н вызывает вращение кольца„состоящего из субъединиц с и контактирующих с иим субъединиц у и а, которые все вместе выполняют функцию вращающегося «ротора», Известно, что субъелиница а образует 5 трансмембранных а-спиралей и формирует пути для входа Н' с одной стороны мембраны и выхода — с другой.
Движение Н внутри кольца из субъединиц с связано с последовательным протонированием/депротонированием ключевого остатка аспартата (Азр-61), расположенного на одной из двух ц-спиралей с-субъединиц. Этот процесс сопряжен с поворотом каждой с-субъединицы и запускает пошаговое вращение с-кольца (ротора) относительно аЬз-статора. Расчеты показывают, что синтез одной молекулы АТФ сопряжен с транспортом 3-4Н' через Ра-канал.
Рассмотрим подробно, в результате каких событий происходит синтез АТФ в каталитическом центре фермента. Согласно последним данным (Р. Воуег, 2002), в результате вращения у-субъединицы относительно а,!)~-комплекса изменяется конформация расположенных на 13-субъединицах трех активных центров, каждый из которых в данный момент времени может находиться в трех разных состояниях (рис. 2.3). Эти конформационные состояния, названные «откры- «««зиял«г«н ра.«м АДФ Ф» г ' " ч 1 АДФ Ф„1 ~ АТФ х АДФ+ Фн АТФ+ Нто Рис. 2.3.
Состояние каталитических центров АТФ-синтазы: А — Г,-комплекс на трех В-субъединицах несет три активных центра, которые одновременно могут находиться в одном из трех кон4юрмационных состояний — О-центр, Т-центр и 1.-центр. Ротация у-субъединицы в момент движения протонов через Г»-канал вызывает изменение конФормации сразу трех центров; Б — конформационные изменения одного активного центра при повороте т-субьелиницы на 360'. Субсграты, АДФ и Ф„связываются в «открытом» О-центре. Ротация т-субъелиницы на 120 переводит центр в «закрытое» Т-состояние.
В Т-центре спонтанно плут реакции синтеза и гидролиза АТФ. При следующем шаге вращения на 120 Т-центр переходит в 1-центр, из которого возможен выход синтезированной АТФ. Пунктиром указаны возможные промежуточные состояния центров тым» («ореп» вЂ” 0), «закрытым» («1)аЬ1» — Т) и «слабосвязанным», или «неплотным» («1оозе» вЂ” Е), центрами, различаются по степени сродства к АЯФ, АТФ и Ф„. Принципиальным моментом является тот факт, что в результате тесного контакта между а-, 13- и у-субъединицами конформационные изменения возникают одновременно на всех трех 13-субъединицах при повороте у-субьединицы на 120'.
При этом каждый активный центр последовательно проходит через три смены конформаций и возвращается в исходное состояние при пол- ном повороте у-субъединицы на 360 (см. рис. 2.3). Каталитический цикл начинается со связывания АДФ и Ф„в О-центре: в «открытом» состоянии центр имеет высокое сродство к АДФ и крайне низкое — к АТФ. В то же время АДФ и Ф„относительно слабо удерживаются в центре и могут выходить из него. Поворот у-субъединицы на ! 20' переводит О-центр в «закрытое» Т-состояние. В Т-центре молекулы АДФ и Ф, уже прочно связаны и не могут его покинуть. Конформация Т-центра такова„что в нем самопроизвольно идут акты образования и разрыва ковалентной связи АДФ- Ф„, т.е.
синтеза и гилролиза АТФ. Важно, что синтез АТФ в «закрытом» центре идет спонтанно, энергетически даром, только за счет создания особой конфигурации между активными группами фермента и молекулами АДФ и Ф„. Более того, синтез АТФ в «закрытом» центре может идти даже в условиях деэнергизованной мембраны или даже вне мембраны на изолированном Г,-комплексе. Однако освобождения синтезированной АТФ из «закрытого» центра не происходит: для этого необходим следующий этап вращения и переход в состояние Ь-центра.
В этом состоянии связи АТФ с центром ослабевают и молекула может его покинуть и перейти в волную фазу. Следует отметить, что в момент открытия Т-центра в нем находится именно молекула АТФ. Предполагается, что в момент перехода равновесие АДФ + Ф„АТФ сдвигается в сторону синтеза АТФ под влиянием протондвижущей силы. Следующий этап вращения переводит центр в исходное, «открытое» состояние, из которого, вероятно, также возможен выход АТФ. В течение синтеза АТФ конформационные состояния активных центров последовательно меняются в направлении: Π— Т вЂ” Ь вЂ” О.
Таким образом, согласно ротационному механизму, энергия дрн расходуется не на сталин образования химической связи АДФ- Ф„а необходима для смены конформаций и выхода АТФ из активных центров фермента. При наличии ор для быстрого синтеза АТФ в Т-центре второй каталитический центр в О-конформации должен содержать связанные АДФ и фосфат. В условиях, неблагоприятных для синтеза АТФ, например при низком содержании АДФ или Ф„или при низкой Ар, возможны гидролиз АТФ и перекачка протонов против градиента.
В этом случае происхолит связывание АТФ в Ь-центре и гидролиз АТФ, сопряженный с последовательной сменой конформаций в обратном направлении Ь вЂ” Т вЂ” О. В настоящее время интенсивно изучаются все аспекты работы АТФ-синтазы. Аминокислотные остатки и функциональные группы, критичные для вращения и для конформационных изменений, исследуются с помощью точечного мугагенеза, позволяющего получать мутации, связанные с заменой в структуре фермента одной единственной аминокислоты. В то же время молекулярные механизмы сопряжения двух физически дистанцированных процессов — транспорта протонов и синтеза АТФ вЂ” остаются пока неясными.
2.9. ЦИРКУЛЯЦИЯ ИОНОВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ. ДРУГИЕ АТФазы Синтез АТФ при использовании протонного потенциала на мембранах хлоропластов и митохондрий не единственный случай взаимопревращений ионных градиентов и АТФ. Большинство клеточных мембран, а именно плазма- 99 лемма, тонопласт, мембраны ЭПР, содержат ферменты, действие которых направлено на создание ионных градиентов при использовании энергии АТФ.
Эти ферменты извесгны под общим названием АТФаз, их называют также ионными помпами, или насосами. АТФазы функционируют как электрогенные ионные насосы, эффективно перекачивая ионы через мембрану против их электрохимического градиента за счет энергии гидролиза АТФ. В то же время в условиях крутого градиента транспортируемых ионов 1л игго некоторые из них могут обращать свое действие, осуществляя синтез АТФ. Таким образом, среди АТФаз есть обратимые сопрягающие системы, которые способны к взаимопреврашению энергии ионных градиента и макроэргической связи в молекуле АТФ.
На основе строения, локализации и механизма действия АТФазы делят на три группы: Н'-АТФазы Г-типа, Н -АТФазы Ч-типа и АТФазы Р-типа. В первую группу входят рассмотренные выше АТФ-сии газы (Г, Г~-АТФазы) из мембран митохондрий и хлоропластов, а также сопрягающих бактериальных мембран. В физиологических условиях эти ферменты работают на синтез АТФ, но могут функционировать как АТФазы, и поэтому рассматриваются в общем контексте. В клетках эукариот имеются вакуолярные АТФазы, или АТФазы Ч-типа, локализованные в тонопласте, мембранах ЭПР и лизосом, которые в норме работают на создание протонного градиента (АТФ вЂ” Лрн ). Сопряженно с гидролизом АТФ они переносят Н" через мембрану из цитозоля, закисляя пространство вакуолей или других органелл (см.
подразд. б.2.2). По своей структуре и составу субъединиц АТФазы Ч-типа сильно напоминают Г, Гр-АТФазы. Они также состоят из двух компонентов — трансмембранного Ча и гидрофильного Ч,-комплексов — и работают, вероятно, по аналогичному принципу.
Клетки животных и растений содержат АТФазы, относящиеся к Р-типу. Для АТФаз Р-типа характерно, что в ходе каталитического цикла механизм переноса ионов связан с фосфорилированием самого фермента за счет АТФ. АТФазы Р-типа имеют простое строение: большинство ферментов этой группы представляют собой единый полипептид, имеющий сходные аминокислотные последовательности и молекулярную массу около 100 кДа. Исключение составляет Ха'/К -АТФаза, у которой есть вторая небольшая субьединица с неизвестной функцией. Все АТФазы Р-типа содержат б, 8 или 10 трансмембранных спиральных участков и гидрофильную петлю, где и происходит обратимое фосфорилирование по остаткам аспартата. Кроме того, характерной особенностью этих АТФаз является то, что все они ингибируются ортованадатом (НгЧ04) — структурным аналогом иона фосфата.
К Р-типу относится хорошо изученная Ха'/К -АТФаза клеток животных. Этот фермент, локализованный в плазматической мембране, катализирует зранспорт ионов натрия и калия: на каждую молекулу гидролизованного АТФ фермент выкачивает из клетки 3 иона Ха' в обмен на 2 иона К'. Ха /К -АТФаза создает на мембране Лрн,. (АТФ вЂ” Лрн;), который используется животной клеткой для активного транспорта веществ, а также при проведении нервных импульсов. В клетках растений Ха /К -АТФаза отсугствует. На плазмалемме клеток растений, а также водорослей и грибов функционирует Н'-АТФаза Р-типа, которая выкачивает Н из цитозоля в фазу клеточной стенки, осуществляя реакцию АТФ вЂ” дан и тем самым внося основной вклад в поляризацию плазмалеммы.
К АТФазам Р-типа относится также Саг'-АТФаза, расположенная на гшазмалемме и внутренних мембранах ЭПР у растений и животных. г Этот фермент откачивает Са из цитозоля, либо выводя его из клеток, либо закачивая внутрь компартментов. На каждую гидролизованную молекулу АТФ 2+ через мембрану переносится 2 иона Са . В результате работы этого фермента 2+ концентрация Са в цитозоле очень низкая.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
