И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 61
Текст из файла (страница 61)
В системе ьч сищ разобщение наступает при действии разобщителсй. В системс кл ошо разобщение возможно с помощью жирных кислот и разобщающего ЦСР-белка Ьрн., работающие АТФ-синтазы рассеивают Аугн, и оба процесса находятся в динамическом равновесии (рис. 4.20). При наличии АДФ и фосфата АТФ-синтазы функционируют бесперебойно, но, если возникнет дефицит АДФ, их работа будет блокирована из-за недостатка субстрата. Это значит, что прекратится обратный ток протонов в матрикс через Гс-канал и величина Лрн- начнет расти.
При достаточно высоких значениях Арн неизбежно возникнут трудности в работе трех протонных помп в цепи, что автоматически приведет к торможению электронного транспорта. Если в эксперименте создать очень высокий градиент Лрн*, то электронный транспорт может прекратиться полностью.
Если в систему вновь добавить АДФ и тем самым активировать АТФ-синтазы, то величина Арн снизится и скорость электронного транспорта вновь возрастет. Таким образом, механизм дыхательного контроля основан на прямом ингибирующем влиянии Лрн на электронный транспорт. Отсюда следует важный вывод: и рпю скорость переноса электрона в цепи прямо зависит от работы АТФ-синтаз, а значит от соотношения АТФ/АДФ в матриксе. В свою очередь, это соотношение определяется скоростью расхода АТФ в клетке и отражает ее энергетический статус. Итак, дыхательный контроль — это часть уже рассмотренной нами фундаментальной системы регуляции дыхания через содержание АТФ и АДФ.
Эта система контролирует скорость окисления глюкозы, начиная с гликолиза, ЦТК и кончая электронным транспортом в дыхательной цепи. Следует отметить, что в литературе обсуждается «второй» механизм дыхательного контроля. Некоторые экспериментальные факты, полученные при работе с митохондриями животных, указывают, что на комплексе 1Ч есть сайты (расположенные на одной из обращенных в матрикс субъединиц), в кото- 248 рых прямо могут связываться АТФ и АДФ.
Предполагается, что, связываясь с комплексом, АТФ его ингибирует, а АДФ вытесняет АТФ из сайтов связывания. Таким образом, возможно, существует еще одна возможность контроля скорости дыхания: при высоком соотноглении АТФ/АДФ в матриксе АТФ аллостерически ингибирует активность цитохромоксидазы. 4.2.8. РАЗОБЩЕНИЕ ЭПЕКТРОННОГО ТРАНСПОРТА С ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ Электронный транспорт в дыхательной цепи может быть не только сопряженнь1м, но и разобщевныль Мы знаем, что непременным условием создания и поддержания Лри является непроницаемость сопрягающей мембраны для ионов. Разобщение — это моментальная диссипация создаваемого цепью Луги в результате увеличения ионной проницаемости мембраны.
Впервые явление разобгяенил электронного транспорта с фосфорилированием было показано при изучении соединений, которые впоследствии стали называть разобгиигпелялги*. Разобщители делают мембрану проницаемой для Н' или других ионов, а значит либо полностью снимают Лрич либо снижают его величину (рис. 4.20). В присутствии разобщителей цепь работает вхолостую: перекачка протонов через мембрану не приводит к созданию луг»к, так как ионы быстро возвращаются обратно. В этих условиях АТФ-синтазы прекращают работу, а электронный транспорт идет с максимальной скоростью из-за'отсутствия «сдерживания» со стороны Лцн .
В этом случае электронный транспорт разобщен с синтезом АТФ и называется разобщенным. Разобщители разных типов представляют собой чрезвычайно удобный инструмент для исследования энергетики мембран. Благодаря их специфичности можно избирательно влиять на две составляюпзие Лр: ЛрН и мембранный потенциал. Как правило, функцию разобщителей выполняют небольшие гидрофобные молекулы, легкорастворимые в липидном бислое. Некоторые из них, например антибиотики грамицидин, нонактин, аламетицин, встраиваются в липидный бислой и формируют каналы, по которым ионы Н и К и Ха могут свободно проходить мембрану, Другой случай, когда разобщители (ионоФоры) образуют с ионом подвижный комплекс. Например, антибиотик валиномицин связывает ион К координационными связями в центре молекулы и в таком виде пересекает митохондриальную мембрану„двигаясь по градиенту заряда в более отрицательную обласп . Перенос положительно заряженного К снимает на мембране заряд, т.
е. составляющую ЛЧг, не влияя на величину ЛрН. Наоборот, протонофоры, будучи слабыми гидрофобными кислотами, пересекают мембрану в протонированной форме и снимают градиент рН. К числу протонофоров относятся такие широко используемые разобщители как 2,4- линитрофенол, нигерицин, моненсин, ГССР (карбонилцианид-и-трифторметоксифенилгидразон). Следует также отметить, что сопряжение электронного транспорта с фосфорилированием легко нарушается в процессе вьщеления ' действие разобщителей, увеличивающих проиицаемость биологических мембран для Н', в свое время послужило убедительным доказательством правоты хемиосмотической теории Г1. Митчелла.
249 митохондрий, особенно из растительных объектов (из-за жестких клеточных стенок гомогенизация растительного материала часто сопровождается повреждением митохондриальных мембран). Однако не следует считать, что разобщение представляет собой лишь частный случай, наблюдаемый в эксперименте. Разобщение электронного транспорта с синтезом АТФ играет важную роль в метаболизме как животных, так и растений. Дело в том, что помимо запасания энергии в конвертируемой форме Лйн. и АТФ, одной из важных функций клеточного дыхания является рассеивание энергии в виде тепла.
У животных разобщение — это один из способов повышения температуры тела. В митохондриях бурого жира (особая ткань млекопитающих, вырабатывающая дополнительное тепло при охлаждении) энергия дрн может использоваться не на синтез АТФ, а рассеиваться в виде тепла. Рассеивание Ь1ен. происходит в результате повышения протонной проводимости мембраны на фоне резкого увеличения содержания в клетке свободных жирных кислот, образующихся при гидролизе жиров. Свободные жирные кислоты представляют собой природные протонофоры: циркулируя через мембрану, они способны оказывать разобшаюшее действие. Это выглядит так: анион жирной кислоты (пальмитиновой, линолевой, олеиновой) связывает ион Н на внешней поверхности мембраны и пересекает ее в протонированной форме, двигаясь по градиенту рН (рис.
4.21). На внутренней стороне мембраны наступает обратная диссоциация„однако чтобы система работала, необходимо вернуть анион жирной кислоты обратно. И здесь в процесс включаются специальные белки-переносчики, при помощи которых анион жирной кислоты диффундирует через мембрану в обратном направлении, двигаясь уже по градиенту заряда.
Во внутренней мембране митохондрий бурого жира и других тканей млекопитающих обнаружено семейство так называемых разобщающих 1)СР (ипсоир1е рго1е1п)-белков, выполняющих именно эту функцию (см. рис. 4.20 и 4.21). Не так давно стало ясно„что разобщение электронного транспорта с фосфорилированием имеет место (л ипю и у растений. Растительные митохондрии содержат аналоги 1)СР-белков.
Так, 1)СР5-белок обнаружен в митохондриях картофеля и арабидопсиса. У арабидопсиса показано наличие нескольких ядерных генов, кодирующих изоформы 1)СР5-белка, экспрессия которых стимулировалась на холоду. Таким образом, растения, как и животные, с помощью жирных кислот и 1)СР-белков способны ликвидировать Ьрн, освобождая энергию в виде тепла. Если животные через разобщение могут значительно повысить температуру тела, то растения к этому не способны. Физиологическая функция разобщения Рнс. 4.21. Механизм разобшаюшего действия жирных кислот.
На внешней поверхности мембраны анион мирной кислоты КСОО присоединяет Н' и в протонированном виде (КСООН) пересекает мембрану. Внутри митохонарий наступает диссоциация на КСОО и Н'. В обратном направлении анион пересекает мембрану с помощью ЦСР-белка 250 в растительном метаболизме связана, видимо, только с регуляцией электронного транспорта. Иногда на фоне избытка нереализованного АТФ необходимо быстро окислить НАДН в дыхательной цепи, чтобы поддержать работу ЦТК. Для этого необходимо увеличить скорость электронного транспорта, который заторможен под действием высоких значений Айн..
Снизив величину Адыги~ на мембране через механизм разобщения, можно увеличить скорость электронного транспорта даже при высоком соотношении АТФ/АДФ в матриксе, т.е. «обмануть» систему дыхательного контроля. Функцией разобщения может быть также защита от окислительного стресса. Дело в том, что при работе комплексов 1, П и 1П часть электронов сбрасывается на кислород.
Даже в норме в цепи идет прямое одноэлектронное восстановление Ог с образованием сулероксидрадикала 0; (см. подразд. 4.3.1). В свою очередь 0; быстро нейтрализуется сулероксиддисмутазой с образованием более стабильного продукта — перекиси водорода." 201+ 2Н = НгОг+ Ог Супероксидрадикал и НгОг представляют опасность для клетки, так как обладают большой окислительной способностью. В то же время угроза их накопления в клетке вполне реальна, особенно при насыщении цепи электронами. При высоком арн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
