Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
На основе этих фактов может быть предложена следующая линейная схема конечного сегмента дыхательной цепи:
136
3. Первичные A|u.H-генераторы
Нцаруж Ае" е
1/2 QH2 -...С _
Существенным моментом в этой схеме является то, что восстановление гема а приводит к его протонированию ионом Н+ матрикса (Нвнутр), а окисление — к освобождению этого иона Н+ снаружи митохондрии (Н^аруж).
Альтернативный механизм устройства цитохромоксидазного AjIH-генератора (О-цикл) был недавно постулирован Митчелом и соавт. [1057]. Его описание будет дано в следующем разделе (3.4.6).
Любая схема устройства цитохромоксидазы предполагает, что в молекуле фермента существуют Н+-проводящие пути, пересекающие значительную часть гидрофобного барьера мембраны. Первое указание в пользу такой возможности было получено в нашей лаборатории А. А. Константиновым и соавт. [74, 193]. Было выяснено, что pH-зависимость редокс-потенциала присуща не только цитохрому а3 (который передает электроны на 02 с последующим присоединением ионов Н+ и образованием воды), но также и цитохрому а. Оказалось, что редокс-потенциал цитохрома а может отвечать на изменение pH по другую сторону мембраны. т. е. в матриксе.
В опытах той же группы была исследована рН-зависимость реакции связывания цианида с гемом а3. Было показано, что А^Р, наложенная на мембрану, меняет эту зависимость таким образом, как если бы гем а3 находился в средней части мембраны и был связан с матриксом «протонным колодцем» [6].
Неясно, что за группа в молекуле цитохромоксидазы принимает протон при восстановлении гема и отдает протон при его окислении. Викстремом было высказано предположение, что эта группа принадлежит самому гему а (такую роль могли бы играть формильный карбонил или пропионатный карбоксил) [1597]. Что касается протонпроводящего пути, связывающего эту группу с водной фазой, то он мог бы быть организован полипептидной частью фермента. Какую-то роль здесь безусловно играет субъединица III цитохромоксидазного комплекса. В пользу этого указывают три факта.
1. Субъединица III служит мишенью действия ДЦКД, который, как показали Кейси и соавт. [352], тормозит выброс протонов из митохондрий, окисляющих доноры электронов. В митохонд-риях, обработанных ДЦКД, перенос одного электрона цитохром-оксидазой сопровождается транслокацией одного (вместо двух в контроле) зарядов через мембрану. Было найдено [1213], что ДЦКД специфически модифицирует Glu-90 в субъединице III. Этот остаток локализован на полпути от одной поверхности мембраны
TJ +
л наруж
-Си. --—»-гемо-Н—^—^-гемо3—Сив —7—*-Vt Н,0
У402+Н+ (16)
2 внутр v '
3.4. Дыхательная цепь
137
к другой, находясь в среднем участке третьей а-спиральной колонны субъединицы III [1597].
2. Протеолипосомы с цитохромоксидазой, лишенной субъединицы III, имеют сниженное отношение заряд/е-, равное, по одним данным, 1 [1303], а по другим — 1,25—1,50 [1214, 1217, 1305].
3. Снижение отношения заряд/е- может быть вызвано добавлением антител к субъединице III. В тех же условиях антитела к субъединицам II и IV тормозят перенос электронов без снижения этого соотношения [358].
Действие ДЦКД на цитохромоксидазу напоминает эффект того же ингибитора в Н+—АТР-синтазной системе, где он модифицирует остаток дикарбоновой аминокислоты в среднем участке «-спирали, принадлежащей Непроводящей субъединице (см. ниже раздел 5.1.1.5). В то же время между Двумя этими эффектами есть и различие: в случае цитохромоксидазы ДЦКД почти не снижает скорость ферментативной реакции (окисления цитохрома с кислородом), а в случае Н+—АТР-синтазы он блокирует катализируемый ею процесс, т. е. синтез и гидролиз АТР. Создается впечатление, что цитохромоксидаза в отличие от Н+—АТР-синтазы может работать в двух режимах, транспортируя через мембрану один заряд или два заряда на каждый электрон, перенесенный с цитохрома с на 02.
Простейшее объяснение функции субъединицы III и эффекта ДЦКД могло бы состоять в том, что эта субъединица образует ДЦКД-чувствительный протонпроводящий путь, подобный таковому в Н+—АТР-синтазе. Однако есть факт, затрудняющий такое толкование. Протеолипосомы с цитохромоксидазой, лишенной субъединицы III, все еще способны к выбросу протонов при окислении доноров электронов, хотя количественно этот выброс примерно вдвое меньше, чем в норме [1217, 1305]. Может быть, субъединица III необходима для димеризации цитохромоксидазных комплексов. Замечено, что соотношение заряд/е~, равное 2, присуще только димерной форме цитохромоксидазы [561, 1439]. Обратимое образование димеров могло бы служить регулятором эффективности цитохромоксидазы.
Заманчиво предположение, что эффективный режим используется в условиях активного окислительного фосфорилирования, что увеличивает выход АТР в расчете на молекулу окисленного субстрата. В состоянии, когда ADP исчерпан и наступает состояние протонного контроля, мог бы включаться менее эффективный режим, при котором увеличивается расход энергии на синтез одной молекулы АТР. Это привело бы к увеличению соотношения [АТР], [ADP]-[Рг], т. е. возрастанию фосфорилирующего потенциала, что способствует совершению работы за счет АТР.
