И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Рентгеноструктурный анализ, а также данные, полученные с помощью метода сайтспецифичного мутагенеза, выявили в структуре субъединицы 1 пути, по которым протоны могут проникать и через комплекс пересекать мембрану. Эти пути получили название 13-, К- и Н-каналов. В каналах, выстланные полярными аминокислотными остатками, по-видимому, удерживаются молекулы воды. Обнаруженный недавно в комплексе ион М8~', возможно, как раз и нужен для стабилизации этих молекул. Предполагается, что К-канач связывает водную фазу матрикса с биядерным центром и служит для доставки «субстратных» протонов, необходимых при образовании воды. 13-канал, по-видимому, формирует сквозной путь, и по нему могуг проходить как «субстратные» протоны, так и протоны, перекачиваемые через мембрану. У эукариот обнаружен еще Н-канал, который, вероятно„также является сквозным.
Несмотря на то что молекулярная структура комплекса !Ч достаточно полно расшифрована, механизм его работы остается непонятным. Предполагается, что встречный транспорт Н и электронов в комплексе тесно сопряжен с редокс-реакциями в биядерном центре. Данные, полученные методом сайт-специфичного мутагенеза, доказывают, что активную роль в этом играют определенные аминокислотные остатки, мутации по которым блокируют те или иные стадии в работе комплекса. Речь идет прежде всего об остатках гистидина-284, тирозина-288 и глутамата-286, расположенных вблизи биядерного центра, а также остатках лизинаЗб2 и аспартата-132, играющих ключевую роль в функционировании каналов.
4.2.6. ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСПОРТ СОПРЯЖЕН С СИНТЕЗОМ АТФ С точки зрения термодинамики, транспорт двух электронов по градиенту потенциала от НАДН (Е" = -0,32 В) к кислороду (Е" = +0,82 В) сопровождается отрицательным изменением стандартной свободной энергии, величина которого может быть рассчитана по формуле Аб" = -и ГоЕ" и составляет -52,7 ккал, Освобождаемая свободная энергия используется для синтеза АТФ из АДФ и Ф„.
Известно, что для этой реакции необходимо около 11 — 13 ккал, так что теоретически окисление НАДН может быть сопряжено с синтезом как минимум трех молекул АТФ. Возникает вопрос, а сколько молекул АТФ образуется реально? В начале 1950-х гг. были проведены опыты по определению коэффициента Р/О, равного числу молекул ортофосфата, используемого для фосфорилирования АДФ в расчете на каждый атом поглощенного кислорода.
Оказалось, что отношение Р/О зависит от природы окисляемого субстрата и при окислении НАДН может приближаться к трем (2,5 — 2,7)„а при окислении сукцината — к двум (1,5 — 1,8). Отсюда возникло представление, основанное также на величинах перепада свободной энергии на разных участках цепи, что в самой дыхательной цепи существуют три места, или вуяхта сопряжения, где происходит синтез АТФ. Транспорт е может идти через три или два пункта сопряжения и сопровождаться соответственно синтезом трех или двух молекул АТФ. 245 Теперь мы знаем, что эти представления оказались не совсем верными: синтез АТФ происходит не в дыхательной цепи.
Работа цепи состоит лишь в перекачке через мембрану протонов для образования градиента Лин, который необходим для работы АТФ-синтазы. Исследователи продолжают использовать термин «пункты сопряжения«, но теперь под ними подразумевают те участки цепи, на которых возникает Лрн, т.е. комплексы 1, Н1 и 1У. Если при окислении НАДН электроны идут по полной цепи, т.е. через три пункта сопряжения, величина генерируемого Лрн будет максимальной.
Окисление сукцината на комплексе 1! сопряжено с транспортом е только через два пункта сопряжения. В итоге величина генерируемого цепью Лйн. будет меньше, и меньше будет число синтезируемых молекул АТФ. У растений альтернативный путь дыхания через АО потенциально имеет только один пункт сопряжения (комплекс 1) и диссипирует большую часть энергии в тепло. Следовательно„в зависимости от преобладания того или иного пути окисления субстрата (л в1во величина Лвн, а значит, и число синтезируемых молекул АТФ будут варьировать.
Итак, работа трех протонных помп в цепи приводит к неравномерному распределению протонов по обе стороны мембраны и ее энергизации. (Энергизация мебраны сопровождается изменением ее свойств. В энергизованном состоянии мембрана становится визуально тоньше. Давно замечено, что в условиях активного дыхания митохондрии становятся более компактными, а при подавлении дыхания разбухают.) Возникающий на мембране электрохимический протонный градиент Ьрнч который может быть также представлен как протондвижущая сила Лр, имеет две составляющие: дйн"/Р = Лр = М вЂ” 59ЛрН (мВ).
Из-за «дырявости» наружной мембраны митохондрий рН в межмембранном пространстве такой же, как и в цитозоле, поэтому градиент ЛРН складывается небольшой (ЬРН = 0,2 — 0,5) и не вносит существенного вклада в величину Лр. Основной вклад вносит электрическая составляющая — мембранный потенциал Л~р. В результате концентрации ионов Н на внешней, а ионов ОН на внутренней поверхности мембраны, одна ее сторона заряжается более положительно, а другая более отрицательно. Возникающий заряд способствует концентрации по обе стороны мембраны и других ионов: любой отрицательный ион будет стремиться покинуть, а положительный — вернуться в матрикс, что усиливает составляющую мембранного потенциала. На мембране растительных митохондрий Лр обычно составляет — 150 — 200 мВ.
Величина Лйн, или протондвижущей силы Лр, является мерой свободной энергии, запасешюй в трансмембранной разности электрохимических потенциалов иона Н . Эта энергия может быть реализована в результате движения протонов в обратном направлении по градиенту электрохимического потенциала. АТФ-синтаза сопрягает диффузию протонов обратно в матрикс с синтезом АТФ.
Обратный ток протонов через Гв-канал приводит в движение АТФ- синтазные комплексы, катализирующие синтез АТФ из АДФ и Ф„. Следовательно, работа АТФ-синтаз приводит к уменыпению, или диссипации Ьрн, и разрядке мембраны. Подробно процесс синтеза АТФ при работе АТФ-синтазных комплексов рассмотрен в гл. 2 (подразд. 2.7 и 2.8).
Во внутренней мембране митохондрий локализована Г«Г,-АТФ-синтаза (Г«Г,-АТФаза), ориентированная своей каталитической частью (Рг-факгор) в матрикс (рис. 4.14). В отличие от СреСЕ1-АТФазы хлоропластов, митохондриальные АТФ-синтазы проявляют высокую чувствительность к антибиотику олигомицину, который блокирует транспорт Н через Ес-канал и тем самым запрещает синтез АТФ. Общее число протонов, переносимых через мембрану при работе дыхательной цепи, точно не установлено, так как до конца не ясен механизм их транслокации на комплексах! и !Ч. Считают, что это число равно как минимум 10Н' на каждые 2е, переносимых от НАДН на От по полной цепи (см. рис.
4.14 и 4.20). Если считать, что данный процесс может привести к синтезу трех молекул АТФ, то для синтеза одной молекулы может быть достаточно ЗН, проходящих через Ео-канал. Однако эти расчеты не принимают во внимание побочные затраты, также связанные с использованием А)зн . Например, транспорт в матрикс фосфата (необходим для синтеза АТФ) идет в симпорте, т.е. совместно с Н и, следовательно, связан с определенной диссипацией протонного градиента (см. под)хгзд. 4.2.11). 4.2.7. СКОРОСТЬ ЭЛЕКТРОННОГО ТРАНСПОРТА.
ДЫХАТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ Рис. 4.19. Дыхательный контроль. Поглощение кислорода суспензией митохонлрий регистрируется полярографически кислородным злектродом и характеризует скорость электронного транспорта. В отсутствие субстрата поглощение Оз практически не регистрируется (1). Прн добавлении субстрата скорость дыхания возрастает (2), достигает максимальных значений при внесении АДФ (3) и снижается, когда весь добавленный АДФ превратится в АТФ (4). Соотношение скоростей поглощения Оз в присутствии АДФ и без (3/4) является важным показателем степени сопряженности злскгронного транспорта с 4ккфорилированием О (з 2 6 10 14 Время, мин 247 Скорость электронного транспорта обычно измеряют по скорости поглощения От суспензией митохонлрий при наличии субстрата дыхания, например НАДН или сукцината. Если митохондрии удалось выделить без существенного повреждения мембран, то скорость поглощения От будет четко зависеть от присутствия в реакционной среде АДФ (рис.
4.19). Если в среде содержится фосфат, то добавление АДФ даже в незначительной концентрации сразу же доводит скорость поглощения Оз до максимальной, и она остается таковой до тех пор, пока весь АДФ не превратится в АТФ. Тогда скорость дыхания падает вплоть до 10 — 15 % от максимальной и может снова возрасти при внесении АДФ. Этот экспериментальный факт получил название дыхательного контроля. Каков же механизм лежит в основе дыхательного контроля? В нормально функционирующих митохондриях электронный транспорт сопряжен с синтезом АТФ. При сопряженном транспорте дыхательная цепь работает на создание Ме жмем бранное Ьнн ьйн' зн Рис. 4.20.
Образование и диссипация Ьр„на внутренней мембране митохонлрий. Комплексы й Кп и ГЧ работают на создание Ьрнь или протондвижущей силы Ьр, энергия которой используется АТФ-синтазами для синтеза АТФ из АДФ и Ф„. Энергизованное состояние мембраны контролируется действующими АТФ-синтезами и через механизм разобщения. Работа АТФ-синтаз, для которой необходим АДФ, сопровождается диссипацией ьйн., что стимулирует работу трех протонных оомп и электронный транспорт в цепи. Рассеивание ьйн в внае тепла может быль достигнуто в результате разобщения, вызванного утечкой ионов Н обратно непосредственно через мембрану.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
