Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
376 6. Регуляция, транспорт и стабилизация протонного потенциала
измерения АТР, ADP, АМР, Рг, креатинфосфата и лактата, сильно изменяется под влиянием карнозина только последний пара-метр: мышца приобретает способность накапливать лактат вплоть до очень больших концентраций (порядка 0,1 М) без каких-либо неблагоприятных последствий. Специальное исследование, предпринятое впоследствии для анализа механизма этого удивительного явления, не обнаружило какого-либо действия карнозина на активность гликолитических ферментов in vitro [1219].
Ключ к объяснению эффекта мышечных дипептидов следует искать, по-видимому, в рН-буферных свойствах этих соединений. Одно из рК карнозина равно 6,9, а ансерина — 7,1 [462], что гораздо выше рК лактата (3,85). Поэтому карнозин и ансерин могут связывать ионы Н+, освобождающиеся при аккумуляции анионов лактата в работающей мышце:
глюкоза —» 2СН3—СНОН—СОО- + 2Н+, (52
2Н+ -j- 2 (карнозин) —> 2 (карнозин-Н+). (53)
Таким образом, протонирование карнозина оказывается как бы конечным этапом гликолиза в мышечной ткани.
Как было впервые отмечено Бэйт Смитом [232] и впоследствии подтверждено Дейви [433], карнозин и ансерин обусловливают примерно 40% буферной емкости в быстрых скелетных мышцах. Остальное приходится в основном на протонакцепторные группы белков. Есть огромное функциональное различие между белками и дипептидами как акцепторами протонов. Протонирование белков обычно отражается на их каталитических и других биологически важных свойствах. Протонирование дипептидов может происходить без каких-либо побочных метаболических эффектов, если принять вслед за Бэйт Смитом и Дэйви, что карнозин и ансерин суть соединения, специализированные на роли pH буферов.
Еще одно, быть может, также очень важное преимущество дипептидов состоит в том, что они подвижны в водной фазе клетки, в то время как наиболее массовые мышечные белки (актомио-зиновый комплекс, белки Z-дисков, белки мембран и цитоскелета) в сильной степени иммобилизованы. Как было найдено в нашей группе А. Д. Кауленом (см. выше раздел 2.3), мобильные рН-буферы резко ускоряют выравнивание концентрации водородных ионов по всему объему водной фазы, тем самым предотвращая появление локальных сдвигов pH. (Этот эффект был недавно подтвержден и детально исследован Гутманом и др. [664, 665].) Подобная функция дипептидов может иметь принципиальное значение, предотвращая кислотную денатурацию белков в локальных очагах анаэробиоза, возникающих в работающем мышечном волокне.
Согласно расчету, проведенному недавно Юнге и Мак-Лафлином [791], такие макромолекулярные и иммобилизованные pH-
6.3 . Дц, 11-буферы
377
буферы, как белки, могут снижать эффективную скорость диффузии протонов на несколько порядков. Этого не происходит, если присутствуют подвижные рН-буферы, причем значительное ускорение достигается, даже если вклад подвижных буферов в общую буферную емкость составляет всего 1 %.
Будучи подвижными, дипептиды не столь малы по размеру, чтобы легко проходить сквозь мембраны, как это делает свободный имидазол (рК 7,0) — функциональная группа карнози-на, ответственная за его рН-буферные свойства при физиологических pH. Во внешней клеточной мембране есть специальный переносчик карнозина, осуществляющий аккумуляцию дипептида в клетке [783]. Такой эффект был бы невозможен, если бы рН-буфером был проникающий через мембраны имидазол.
В рамках изложенных выше взглядов мы можем объяснить и другие наблюдения, касающиеся дипептидов. Они локализованы в тканях, где риск закисления цитоплазмы особенно велик: в быстрых мышцах, переключающихся на гликолиз при нехватке кислорода, которая обычно сопутствует тяжелой работе, а также в клетках слизистой желудка, омываемых очень кислой средой. Замечена хорошая корреляция гликолитической активности и содержания дипептидов в различных мышцах [42, 353, 427, 433, 731, 1356]. Концентрация карнозина в мышечной ткани резко возрастает после рождения, когда мышцы начинают активно функционировать [1356].
Описанное С. Е. Севериным действие карнозина на работу изо' лированной мышцы было недавно воспроизведено при добавлении трис-буфера вместо дипептида. Эффект этого буфера был очень резко выражен в анаэробных условиях [520].
Роль рН-буфера предопределяет большую концентрацию дипептидов в мышечной ткани. При этом дипептиды достаточно индифферентны для реакций метаболизма. Сказанное не означает, однако, что дипептиды монофункциональны. Так, карнозин может использоваться организмом как резерв гистидина. Кроме того, дипептиды вносят свой вклад в создание антиоксидантной системы мышечной ткани [97, 115]. Однако эта их функция не в состоянии объяснить очень высокую концентрацию дипептидов в некоторых типах мышц.
Совершенно особая ситуация обнаружилась в обонятельных нейронах. Здесь карнозин оказался нейротрансмиттером [984, 985]. Данный случай — еще одна иллюстрация общего принципа полифункциональности биологических соединений, который был отмечен в начале нашей книги, когда речь шла о нейротрансмит-терной роли АТР.
Возвращаясь к мышцам, отметим, что рН-буферные свойства карнозина и ансерина могут использоваться мышечной клеткой не только для пролонгирования гликолиза, но также и во всех других случаях, когда необходимо стабилизировать pH. Среди
