Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
Кроме технических трудностей могут быть и определенные объективные причины, затемняющие простейшую ситуацию, когда синтез АТР поддерживается Af и АрН, делокализованными соответственно по всей поверхности и по всему объему мембранного пузырька. Например, в митохондриях ионы Н+, откачиваемые дыхательной цепью из матрикса в узкую щель, образованную складкой внутренней мембраны, могут захватываться Н+—АТР-синтазой раньше, чем они выйдут из митохондрий, чтобы стать доступными для измерения рН-электродом. В результате АрН на Н+—АТР-синтазе окажется больше, чем АрН, измеряемая этим электродом. Гетерогенность A'-F может быть еще одним источником завышения реально действующей AjIH против измеряемой (см. [1413] и раздел 5.1.1.9). Все эти локальные эффекты могут быть невелики по абсолютной величине, но тем не менее важны для понимания получаемых результатов, так как скорость фосфорилирования зависит экспоненциально от А|Щ в определенном диапазоне изменения этого параметра [383]. Сказанное означает, что малые изменения AjIH могут приводить к значительным изменениям синтеза АТР.
Сравнивая возможные функции локальной и делокализован-ной А]1Н, важно помнить, что последняя оказывается достаточной для синтеза АТР в определенных экспериментальных условиях, а именно при искусственно созданных A F и АрН. В природных условиях делокализованная А]Ш абсолютно необходима для действия Н+—АТР-синтазы.
Следует, однако, отметить, что Уильямс по-прежнему не согласен с подобной трактовкой. Он все еще утверждает, что «демонстрация синтеза АТР в системе, не содержащей замкнутых пузырьков, есть лишь вопрос времени... Когда Эйнштейн сталкивался с опытом, казалось бы, свидетельствовавшим об ошибочности теории относительности, он считал, что, поскольку теория верна, то ошибочен использованный экспериментальный прием» [1603, с. 2].
Окислительное фосфорилнрование было открыто более полувека тому назад, а фотофосфорилирование — более 30 лет. На протяжении большей части этого периода биоэнергетики многократно пытались упростить исследуемую систему, заменив замкнутые пузырьки растворами ферментов, олигоферментньши ком-
446
9. Исторический очерк исследований по энергетике биомембран
ялексами или открытыми мембранными фрагментами. Ни одна из таких попыток не увенчалась успехом. Отрицательные результаты, ошибки и фальсификации — вот печальный итог этого направления исследований. Сейчас нет ни единого наблюдения -о синтезе АТР за счет энергии окисления в открытой системе, которое было бы воспроизведено хотя бы в двух независимых лабораториях. Несколько десятилетий неудач — такого, пожалуй, хватило бы даже Эйнштейну!
По нашему мнению, следует принять как доказанный факт, что замкнутые пузырьки суть непременный атрибут мембранного •фосфорилирования, а локальная Д[1Н, если и играет какую-то роль, то лишь как фактор, дополнительный к делокализованному протонному потенциалу [1415].
Анализ новейшей истории мембранной биоэнергетики дает множество свидетельств выдающихся успехов, достигнутых в этой области. Так, именно в последнее десятилетие было выяснено, что Д|1Н не только интермедиат окислительного фосфорилирования, но и конвертируемая форма энергии в мембранах митохондрий, хлоропластов и бактерий. Было твердо установлено, что Д[1Н может использоваться для совершения всех основных типов работы живых систем: химической, осмотической, механической и образования тепла. Выяснилось, что у бактерий, где Д[1Н-зави-симые процессы особенно многочисленны, существует ДрСН-буфер, роль которого играют градиенты Na+ и К+.
Был описан субъединичный состав большинства генераторов и потребителей Д]1Н. Для некоторых из них уже определена первичная структура. Первым успехом на этом пути явилось определение аминокислотной последовательности бактериородопсина Ю. А. Овчинниковым и сотр. [103]. Общие контуры его трехмерной структуры были выявлены работами Хендерсона и Ануина [709, 1539]. Быстрые методы регистрации Д*Р позволили проследить за стадиями транслокации протона по молекуле бактериородопсина [497]. Зрительный родопсин оказался первым мембранным белком, ген которого синтезирован химическими методами. Эта работа была выполнена лабораторией Кораны [843].
Для комплекса фотосинтетических реакционных центров из Rps. viridis Михелем и соавт. [453] был проведен рентгеноструктурный анализ с атомным разрешением. В самое последнее время той же группой была выяснена первичная структура белковых субъединиц этого комплекса [454, 455]. Нам удалось измерить отдельные стадии переноса зарядов (электрона и протона) в в той же системе [503]. Таким образом, впервые было дано структурное и функциональное описание мембранного преобразователя энергии, так что стал очевиден принцип его действия.
Среди открытий, связанных с механизмом генерации Д]Ш в в дыхательной цепи, следует сказать о Q-цикле, постулированном Митчелом [1051—1053] и доказанном в общих чертах усилиями
9.7. Новейшая история
447’
сразу нескольких лабораторий, и выяснение Викстремом [1593, 1595] того обстоятельства, что цитохромоксидаза транспортирует через мембрану два заряда на каждый перенесенный к кислороду электрон.
