Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

14.4. Активный транспорт в мембранах бактерий

Весьма интересные исследования процессов активного транспорта через мембрану бактерий, называемых кишечной палочкой E-coli, провели Лурия с сотрудниками в Массачузетском технологическом институте. С помощью антибиотика колицина им удалось вмешаться в некоторые стадии активного транспорта сахаров внутрь клетки этой бактерии. Следуя обзору Лурия [1921 (см. также [220, 173]), опишем кратко результаты этих исследований.

Антибиотик колицин является молекулой белка. Он известен в четырех формах: К, E1, Е2 и Е3. Колицины Е2 и Е3 разрушают в клетке механизм синтеза белков. Колицины К и Е1 нарушают механизм активного транспорта сахаров в клетках бактерий. Группа Лурия использовала колицины К и как средство воздействия на клетки бактерии E-coli.

Бактерии E-coli используют несколько различных механизмов для активного транспорта сахаров и других молекул внутрь

Рис. 32.

Структурные формулы молекул, переносимых активным транспортом через цитоплазматическую мембрану бактерии E-coli: а — лактоза — молочный сахар (переносится за счет разности потенциалов, возникающей при окислении молочной и янтарной кислот); б — глюкоза (в переносе участвуют молекулы фосфоэнолпирувата); в — глютамин (при переносе используется гидролиз ).

клетки. Молекулы глюкозы транспортируются внутрь клетки при участии молекул фосфоэнолпирувата (см. п. 14.3). Для переноса молекул молочного сахара используется энергия окисления молочной и янтарной кислот. Перенос молекул глютамина осуществляется за счет энергии гидролиза молекул АТФ.

Группой Лурия было показано, что присоединение белковых молекул колицина К и к клеткам бактерии E-coli сопровождается прекращением синтеза макромолекул: белков, ДНК, РНК и гликогена. Прекращается также активный транспорт молочного сахара (лактозы), глютамина, различных аминокислот и ионов калия и магния. В то же время клетка продолжает аккумулировать глюкозу, активный транспорт которой обеспечивается непосредственно энергией окисления молочной кислоты. Не нарушались также процессы транспорта веществ, не требующие затраты энергии (пассивный транспорт).

Согласно гипотезе Митчелла (см. п. 16.2), которая в настоящее время принимается многими учеными, активный транспорт многих веществ через мембраны осуществляется в том случае, когда на ее поверхности поддерживается разность потенциалов около 200 мВ с положительным знаком вне клетки и отрицательным внутри. Такое состояние мембраны называется энергизированным. Оно обеспечивается за счет энергии переноса электронов при окислении некоторых веществ или гидролиза молекул АТФ. Хотя молекулярный механизм этих процессов совершенно не установлен, использование гипотезы Митчелла оказывается полезным для интерпретации ряда явлений.

Молекулы колицина присоединяются к специальным рецепторам — молекулам липополисахаридам, выступающим из внешней жесткой оболочки бактерии. Присоединив молекулу колицина К (или ), бактерия некоторое время продолжает функционировать нормально. В этом первом состоянии молекула колицина находится вне бактериальной клетки и может быть удалена путем добавления в раствор фермента трипсина, который расщепляет молекулы колицина, как и другие белковые молекулы (см. п. 10.2).

Бактерия теряет способность к активному транспорту лактозы и глютамина (рис. 32), когда молекула колицина проникает через цитоплазматическую мембрану. Одновременно внутри клетки резко уменьшается число молекул АТФ и прекращается синтез белков и молекул ДНК и РНК.

Переход от активного состояния клетки бактерии ко второму, неактивному, состоянию происходит только в том случае, когда цитоплазматическая мембрана находится в энергизированном состоянии. Следовательно, для прохождения молекулы колицина через мембрану требуется затрата энергии. Скорость перехода зависит от состояния липидов в мембране. Переход затормаживается при охлаждении мембраны или включении в нее липидов с насыщенными углеродными связями, которые делают липидный слой более жестким. Цитоплазматическая мембрана бактерии переходит в энергизированное состояние за счет энергии двух независимых процессов: окисления молочной и янтарной кислот (перенос электрона к кислороду) и гидролиза молекул АТФ. Энергизация мембраны за счет энергии гидролиза осуществляется специальным ферментом АТФ-азой, находящимся в мембране. Этот же фермент может осуществлять обратную реакцию — синтез молекул АТФ из молекул АДФ и фосфата за счет энергии мембраны.

Опыты с мутантными бактериями E-coli, лишенными фермента АТФ-азы в цитоплазматической мембране, показали, что при присоединении к ним молекул колицина их поведение существенно отличается от поведения обычной бактериальной клетки. После присоединения молекулы колицина к таким мутантным клеткам также происходит прекращение активного транспорта лактозы, глютамина и ионов однако внутри клетки не прекращается синтез белков и молекул ДНК и РНК. При этом количество молекул АТФ внутри клетки даже возрастает.

Для объяснения наблюдаемых эффектов влияния молекул колицина на нормальные и мутантные бактерии E-coli делается предположение, что внедрение молекулы колицина в клетку сопровождается снижением мембранной разности потенциалов. Снижение разности потенциалов приводит к прекращению активного транспорта лактозы, глютамина, ионов калия и магния через мембрану. В нормальной бактериальной клетке фермент АТФ-аза, находящийся в мембране в безнадежной попытке восстановить необходимую разность потенциалов, производит интенсивный гидролиз молекул АТФ, снижая количество этих молекул внутри клетки. Следствием уменьшения числа молекул АТФ является прекращение синтеза молекул белка, ДНК и РНК.

В мутантной клетке, из-за отсутствия фермента АТФ-азы при присоединении молекулы колицина, гидролиз молекул АТФ в мембране не происходит. Их же синтез внутри клетки продолжается за счет окисления молекул глюкозы, поступление которых

внутрь клетки не тормозится молекулами колицина. Число молекул АТФ внутри клетки возрастает. Они используются при синтезе белков и молекул ДНК и РНК. Таким образом, снижение мембранного потенциала в случае мутантных молекул прекращает только активный транспорт лактозы, глютамина и иопоп калия и магния.

Вопрос о молекулярном механизме происходящих в мембране изменений при присоединении молекул колицина остается открытым. Возможно, что снижение разности потенциалов обусловлено конформационной перестройкой белковых молекул, участвующих в активном транспорте.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление