Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
PrO A^Na
ДрН-зависимая аккумуляция вещества S в отсеке, заряженном отрицательно (например, в матриксе митохондрии или в цитоплазме бактерии), описывается уравнением (31)
[^Ibhytd [^^Ibhvtd
RTln -- = — (n + Z) FA? - reRTln f„+1 y P - ' (31)
l 'варуж L 1наруж
где n — число ионов H+, переносимых в симпорте с одной молекулой S, a Z — число положительных зарядов на S [879].
5.2.2. A^F как движущая сила
Если транспортная система осуществляет аккумуляцию катиона сильного основания внутри заряженного положительно отсека (или откачивает анион сильной кислоты из этого отсека), единственной движущей силой процесса может быть АЧ^-составляющая протонного потенциала. Для одновалентного катиона С+ соотношение концентрации по ту и другую стороны мембраны описывается уравнением (32)
RTln -^'ту- = — FAT. (32)
L -!наруж
Легко подсчитать, что создание десятикратного градиента С+ при температуре порядка 25° требует А1? около 60 мВ.
Такое простое электрофоретическое поведение системы ионного транспорта показано, например, для переноса ионов К+ в присутствии антибиотика валиномицина. Подобный механизм
5. Потребители ДщН
Отсек 1 Отсек 2
Рис. 80. Примеры Д (iH-зависимых транспортных систем
1 — электрофоретический унипорт катиона сильного основания (СА2+) в отрицательно заряженный отсек; 2 — ДрН-зависимый симпорт протонов и аниона слабой кислоты (сукцината) в щелочной отсек; з — антипорт катиона сильного основания (Са2+) и протонов по ДрН; 4 — симпорт нейтрального соединения (лактозы) и протонов по ДЧГ и ДрН, вклады которых равнозначны; 5 — антипорт катиона слабого основания (RNH3) и протонов. Вклад ДрН вдвое превышает таковой ?№
ответствен также за перенос ионов Са2+ в митохондрии и бактерии (рис. 80, система 1). Однако в этом случае коэффициент Z (см. уравнение 31) равен двум, так что для создания десятикратного градиента оказывается достаточным ДУР = 30 мВ (см. обзор [922]).
Как валиномицин, так и митохондриальный унипортер ионов Са2+ решают сравнительно простую задачу. Они узнают ион, подлежащий транспорту, и облегчают его диффузию через гидрофобный слой мембраны. Для превращения энергии АЧ*' в ионный градиент не требуется каких-либо специальных устройств, поскольку весь процесс сводится к движению иона в электрическом поле.
5.2. Осмотическая работа за счет AfiH
251
Более сложные механизмы используются, по-видимому, при аккумуляции ионов К+ клетки Е. coli. Как было найдено Эпстайном и соавт., здесь имеются по крайней мере две системы импорта К+, а именно К+-транспортирующая система A (TrkA) [540] и К+-АТРаза (Kdp-система) [540, 541, 898, 1248, 1591]. TrkA действует при обычных концентрациях К+ в среде, в то время как К+-АТРаза индуцируется резким снижением [К+]наруж. По Сильверу [1388] и Баккеру и Харольду [211], TrkA использует энергию А.иН и аллостерически активируется АТР. Есть указание, что TrkA представляет собой К+, Н+-симпортер [213]. Если действительно так, то TrkA может использовать не только A1?, цо и АрН. Нет сомнений, что К"—АТРаза утилизирует АТР. Однако и АгР может участвовать в ее энергообеспечении, если этот фермент катализирует унипорт ионов К+, поскольку К+ переносится из положительно заряженного отсека в отсек, заряженный отрицательно. В данной связи следует отметить, что необходимо объяснить, каким образом Е. coli может создать градиент К+ более 4 порядков, используя К+—АТРазу. Чтобы получить Подобный градиент, стехиометрия К+: АТР должна быть не выше 1. При большей стехиометрии проблема может быть решена, если использовать сумму энергий АТР и AT. Подобный механизм, по-видимому, ответствен за 50 000-кратную аккумуляцию ионов К+ в клетках Methanobacterium thermoauthotrophicum при росте на малокалиевой среде [1334].
У Е. coli существует специальный механизм экспорта К+ из клетки. Он был рассмотрен Мьюри и соавт. [1022], изучавшими осморегуляцию. Как показали опыты, Е. coli отвечает на повышение осмолярности среды поглощением К+ через TrkA-систему. Увеличение К?Нутр препятствует созданию осмотического дисбаланса между цитоплазмой и гипертонической средой. Неудивительно, что снижение осмотического давления среды ведет к выходу ионов К+ из клетки. Однако выход этот происходит с участием уже иного механизма, отличающегося от TrkA по меньшей мере двумя свойствами: он не работает с Rb+ и тормозится блокаторами калиевых каналов плазмалеммы эукариот. Энергетический аспект системы экспорта К+ остается неясным.
Простой процесс электрофореза может, по-видимому, объяснить движущие силы трансмембранных потоков некоторых анионов. В тилакоидах ион СГ движется во внутренний отсек, заряжающийся положительно благодаря работе фотоцепи. В митохондриях выход аниона АТР также происходит электрофоретически. Однако здесь эта система усложняется тем, что имеет место анти-лорт АТР|нутр/АБР1аруж (см, подробнее ниже раздел 5.2.7.2).
252
5. Потребители Дц.Н
5.2.3. АрН как движущая сила
Электрофоретический транспорт ионов приводит к тому, что катионы и анионы аккумулируются соответственно в отрицательно и положительно заряженных отсеках. Однако очевидно, что разделение веществ на катионы и анионы вряд ли может быть той целью, ради которой живая клетка тратит энергию на осмотическую работу. Один из путей, помогающих обойти ограничение простого электрофореза, состоит в превращении Д'Р-составляю-щей протонного потенциала в АрН. Как будет показано ниже (раздел 6.3.1), AY есть первичная форма AjIH, поскольку электрическая емкость мембраны меньше, чем рН-буферная емкость разделенных мембраной растворов. Для превращения A*F в АрН необходим электрофоретический поток ионов, разряжающий трансмембранную разность потенциалов.
