Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 13.2. Модель сопряжения окисления, фосфорилирования и транслокации протонов с параллельным сопряжением окисления и фосфорилирования по
двум механизмам j'jlj.
IN
Мембрана
OUT
Обе теории связывают ионный транспорт с окислительным фосфорилированием. Однако в химической теории сопряжение является следствием расходования высокоэнергетического интермедиата, тогда как в хемиосмотической потоки ионов относятся собственно к механизму окислительного фосфорилирования. Термодинамические следствия этих двух концепций весьма различны. Между тем, как отмечено в работе [31], эти два механизма не обязательно исключают друг друга. Возможно, что оба они имеют место, как это показано на рис. 13.2, где дана схема параллельного сопряжения. Чтобы рассмотреть проблему в целом, надо подробнее обсудить каждую из моделей.
13.2. Модели энергетического сопряжения при окислительном фосфорилировании
13.2.1. Возможные способы сопряжения
На рис. 13.3 дана схема всех возможных способов сопряжения, /р и Jo — скорости фосфорилирования и окисления соответственно, /н — поток протонов наружу через сопрягающую мембрану. X — гипотетический интермедиат, который, возможно, сопрягает все три процесса, X — так называемое высокоэнергетическое состояние этого интермедиата. X и X могут также представлять собой различные конформационные состояния одного или большего числа ферментов системы. Предполагается, что все шесть «потоков» или процессов обратимы в соответствующих условиях. Шесть возможных способов сопряжения, отмеченных
Рис. 13.3. Возможные способы сопряжения окислительного фосфорилирования
(см. текст).
В процессах Jq, /р н /рj стрелки указывают принятые нами знаки положительного направления потока. Антипараллельный характер потоков в случае Б означает отрицательное сопряжение в соответствии с принятым правилом знаков.
кольцами, охватывающими соответствующие потоки, пронумерованы в следующем порядке:
A. Положительное сопряжение между окислением и фосфо-рнлированием.
Б. Отрицательное сопряжение между фосфорилированием и потоком протонов наружу.
B. Положительное сопряжение между окислением и потоком протонов наружу.
Г. Положительное сопряжение между окислением и синтезом высокоэнергетического интермедиата.
Д. Положительное сопряжение между фосфорилированием и расщеплением высокоэнергетического интермедиата.
Е. Положительное сопряжение между транслокацией протонов наружу и расщеплением высокоэнергетического интермедиата.
Обратимость потоков означает, например, что при сопряжении типа Б, которое мы назвали отрицательным в соответствии с принятой полярностью, гидролиз АТФ будет способствовать выбросу протонов наружу, как это показывает стрелка, тогда как поглощение протонов способствует фосфорилированию. При сопряжении типа Е поток протонов внутрь приведет к накоплению X за счет X. Сопряжения Б, В и Е отражают работу обратимого протонного насоса, т. е. они означают иаличие активного транспорта протонов.
Мы покажем далее, что с чисто феноменологической точки зрения, пока не удается экспериментально идентифицировать высокоэнергетический интермедиат, сопряжение типа А эквивалентно комбинации сопряжений ГД, сопряжение Б эквивалентно ДЕ, а В эквивалентно ГЕ.
13.2.2. Химическая гипотеза
В своей наиболее общей форме химическая гипотеза включает обратимое сопряжение транспорта протонов с реакцией высокоэнергетического интермедиата [35]. Таким образом, в этой гипотезе учитываются сопряжения типа Г, Д и Е. С этой точки зрения путь расщепления X, сопряженный с транспортом протонов, является, в сущности, побочной реакцией. В той мере, в какой сопряжение типа Е неполное, что обусловлено либо утечкой протонов через сопрягающую мембрану, либо потерей X из центра фосфорилирования за счет побочных реакций или диффузии, общее сопряжение ГД будет частично или даже весьма значительно разобщено. С другой стороны, разность электрохимических потенциалов протонов на сопрягающей мембране (Арн) могла бы служить важным способом запасания энергии, поскольку емкость мембраны может оказаться гораздо больше, чем емкость активного интермедиата. Той же цели
мог бы служить, конечно, и активный транспорт других ионов при условии, что скорости их утечки через мембрану достаточно низки.
13.2.3. Хемиосмотическая гипотеза
В соответствии с хемиосмотической гипотезой, выдвинутой Митчеллом [24,25], существуют только способы сопряжения типа Б и В. Они связаны с физически разделенными центрами сопрягающей мембраны: сопряжение В в центре I, а сопряжение Б в центре II, как показано на рис. 13.4. Центры I и II эквивалентны соответственно митчелловской окислительно-восстановительной цепи, имеющей свойства протон-транслоказы, и
АГФ
Рис. 13.4. Схема хемносмотнческого ^ сопряжения [8].
,гп
Центр II
Центр I
АДФ
,ех
н'
ех
WW&
АТФазной системе, также переносящей протоны. Таким образом, JP и /о сопряжены только через циркуляцию Н+, а не через высокоэнергетический интермедиат (хотя, конечно, формализм не исключает наличия высокоэнергетического интермедиата в каждом из этих центров).
