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

16.2. Гипотезы о механизме фосфорилирования во внутренних мембранах митохондрий

Главным назначением внутренних — сопрягающих — мембран митохондрий является синтез основных хранителей энергии в клетке — молекул АТФ за счет энергии переноса электронов по цепи окислительно-восстановительных ферментов, локализованных в мембране.

Плазматические мембраны клеток также способны синтезировать молекулы АТФ путем обращения работы натриевого насоса (см. § 14). При этом они используют энергию перемещения ионов поперек мембраны в направлении их меньших концентраций.

Ферменты, осуществляющие синтез молекул АТФ из молекул АДФ и неорганического фосфата одинаковы в сопрягающих мембранах митохондрий и в цитоплазматических мембранах бактерий. Они состоят из двух основных ферментов, обозначаемых буквами которые соединяются друг с другом небольшими молекулами белков . Эти белки образуют так называемый комплекс, или фермент АТФ-азу.

Входящий в комплекс фермент состоит из пяти белковых субъединиц. Он имеет форму сферы диаметром около 90 А, которая выступает над поверхностью мембраны в виде бугорка. В сопрягающей мембране митохондрий и цитоплазматической мембране бактерий комплекс ориентирован так, что фермент располагается на внутренней стороне мембраны. В липосомах, образованных в суспензии фрагментов, входящих в состав этих

мембран, ферменты располагаются на внешней поверхности мембраны.

Фермент выделен из мембран группой исследователей (Раккер, Пуллман, Пенефски) в Научно-исследовательском институте здоровья в Нью-Йорке. Фермент можно извлечь из мембраны только при ее разрушении. Он пронизывает всю мембрану и имеет канал, проницаемый для протонов. При прохождении двух протонов через комплекс сопрягающей мембраны митохондрий внутри матрикса синтезируется одна молекула АТФ из молекулы АДФ и неорганического фосфата. Эта реакция обратима. При определенных обстоятельствах фермент перемещает протоны из матрикса наружу, используя энергию расщепления молекул АТФ. Расщепление молекул АТФ можно наблюдать и в растворе, содержащем изолированные молекулы фермента и молекулы АТФ. Прямая реакция синтеза молекул АТФ ферментом в растворе не наблюдается, так как в растворе нельзя создать нужный концентрационный градиент протонов.

Фермент состоит из пяти белковых субъединиц. Две из них (наиболее крупные) участвуют в синтезе и расщеплении молекул АТФ. Три другие, по-видимому, являются ингибиторами, регулирующими эти реакции.

После удаления молекул фермента из митохондрий оставшиеся ферменты значительно увеличивают проницаемость сопрягающих мембран для протонов. Это подтверждает предположение о том, что фермент имеет канал, пропускающий протоны, который закрывается ферментом FP Механизм синтеза молекул АТФ ферментом АТФ-азой остается вполне понятным.

Перенос электронов по цепи электронного транспорта в сторону возрастания электроположительности ее звеньев происходит, по-видимому, по одноэлектронному механизму. Это подтверждается исследованиями, проведенными с помощью спектроскопических методов, которые показали, что в процессе транспорта электронов по дыхательной цепи митохондрий образуются свободные радикалы, такие как семихиноны. В связи с одноэлектронным механизмом переноса электронов возникает вопрос о том, как суммируется их энергия.

До сих пор остается нерешенным вопрос о механизме использования энергии, выделяемой при переносе электронов, ферментами, синтезирующими молекулы АТФ. В настоящее время высказываются три гипотезы о механизме такого сопряжения [230]: химическая, конформационная, или механохилическая, и хемиосмотическая, или электроосмотическая.

Согласно химической гипотезе, впервые выдвинутой Липманном в 1946 г. и развитой Слейтером в 1953 г. [229], в мембране происходит прямое преобразование химической энергии, освобождающейся при окислении и восстановлении переносчиков электронов.

в химическую энергию промежуточных соединений, которые с помощью фермента АТФ-азы, находящейся в мембране, обеспечивают синтез АТФ. Физический механизм процесса сопряжения окислительно-восстановительной реакции и фосфорилирования остается неизвестным. Эта гипотеза вызвала возражения в связи с тем, что до сих пор не удалось выделить из митохондриальной мембраны ни одного из постулированных промежуточных продуктов.

Конформационная, или механохимическая, гипотеза развивалась в работах Грина с сотрудниками [139, 146, 209]. Согласно мсханохимической гипотезе, химическая энергия окисления при переносе электронов вызывает конформационное изменение звеньев цепи электронного переноса, которое приводит к аиергизированному состоянию всей мембраны. Энергия перехода мембраны из эиергизированного в основное состояние используется при синтезе молекул АТФ. Молекулярный механизм такого процесса также остается невыясненным.

Экспериментальные данные действительно свидетельствуют о структурпых изменениях внутренних мембран митохондрий при их гшергизации, обусловленной электронным транспортом или действием АТФ [2, 96, 178, 204]. Авторы ряда работ [83, 137, 146, 209] полагают, что структурные изменения мембран происходят под действием электрического поля, возникающего при переносе электронов. Остаются невыясненными вопросы о том, как локальный перенос электронов сказывается на энергизации большого участка мембраны, каков физический механизм использования энергии эиергизированного состояния для синтеза молекул АТФ.

Против конформационной гипотезы сопряжения иногда высказывается возражение, основанное на несовпадении времен окислительного фосфорилирования и конформационных изменений. Этот вопрос требует специального рассмотрения. Не исключено, что движение электронов адиабатически сопровождается движением конформационного изменения. Это приводит к значительному увеличению эффективной массы электрона и к снижению его скорости.

Хемиосмотическая гипотеза предложена Митчеллом в 1961 г. [196]. Большой вклад в развитие этой теории внесли советские ученые В. П. Скулачев и Е. А. Либерман [58, 59, 41].

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление