4.2.8. Разобщение электронного транспорта с фосфорилированием

Электронный транспорт в дыхательной цепи может быть не только сопря­женным, но и разобщенным. Мы знаем, что непременным условием создания и поддержания Δ является непроницаемость сопрягающей мембраны для ионов. Разобщение — это моментальная диссипация создаваемого цепью Δ в ре­зультате увеличения ионной проницаемости мембраны. Впервые явление ра­зобщения электронного транспорта с фосфорилированием было показано при изучении соединений, которые впоследствии стали называть разобщителями*. Разобщители делают мембрану проницаемой для Н⁺ или других ионов, а значит либо полностью снимают Δ , либо снижают его величину (рис. 4.20). В при­сутствии разобщителей цепь работает вхолостую: перекачка протонов через мембрану не приводит к созданию Δ , так как ионы быстро возвращаются обратно. В этих условиях АТФ-синтазы прекращают работу, а электронный транс­порт идет с максимальной скоростью из-за отсутствия «сдерживания» со сто­роны Δ . В этом случае электронный транспорт разобщен с синтезом АТФ и называется разобщенным.

Разобщители разных типов представляют собой чрезвычайно удобный ин­струмент для исследования энергетики мембран. Благодаря их специфичности можно избирательно влиять на две составляющие ∆ρ: ∆рН и мембранный по­тенциал. Как правило, функцию разобщителей выполняют небольшие гидро­фобные молекулы, легкорастворимые в липидном бислое. Некоторые из них, например антибиотики грамицидин, нонактин, аламетицин, встраиваются в липидный бислой и формируют каналы, по которым ионы Н⁺ и К⁺ и Na⁺ могут свободно проходить мембрану. Другой случай, когда разобщители (ионофоры) образуют с ионом подвижный комплекс. Например, антибиотик вали-номицин связывает ион К⁺ координационными связями в центре молекулы и в таком виде пересекает митохондриальную мембрану, двигаясь по градиенту заряда в более отрицательную область. Перенос положительно заряженного К⁺ снимает на мембране заряд, т. е. составляющую ∆ψ, не влияя на величину ∆рН. Наоборот, протонофоры, будучи слабыми гидрофобными кислотами, пересе­кают мембрану в протонированной форме и снимают градиент рН. К числу протонофоров относятся такие широко используемые разобщители как 2,4-динитрофенол, нигерицин, моненсин, FCCP (карбонилцианид-n-трифторме-токсифенилгидразон). Следует также отметить, что сопряжение электронного транспорта с фосфорилированием легко нарушается в процессе выделения митохондрий, особенно из растительных объектов (из-за жестких клеточных стенок гомогенизация растительного материала часто сопровождается повреж­дением митохондриальных мембран).

Однако не следует считать, что разобщение представляет собой лишь част­ный случай, наблюдаемый в эксперименте. Разобщение электронного транс­порта с синтезом АТФ играет важную роль в метаболизме как животных, так и растений. Дело в том, что помимо запасания энергии в конвертируемой форме Δ и АТФ, одной из важных функций клеточного дыхания является рассеи­вание энергии в виде тепла. У животных разобщение — это один из способов повышения температуры тела. В митохондриях бурого жира (особая ткань мле­копитающих, вырабатывающая дополнительное тепло при охлаждении) энергия Δ может использоваться не на синтез АТФ, а рассеиваться в виде тепла. Рассеивание Δ происходит в результате повышения протонной проводимо­сти мембраны на фоне резкого увеличения содержания в клетке свободных жирных кислот, образующихся при гидролизе жиров. Свободные жирные кис­лоты представляют собой природные протонофоры: циркулируя через мемб­рану, они способны оказывать разобщающее действие. Это выглядит так: ани­он жирной кислоты (пальмитиновой, линолевой, олеиновой) связывает ион Н⁺ на внешней поверхности мембраны и пересекает ее в протонированной форме, двигаясь по градиенту рН (рис. 4.21). На внутренней стороне мембраны наступает обратная диссоциация, однако чтобы система работала, необходимо вернуть анион жирной кислоты обратно.

* Действие разобщителей, увеличивающих проницаемость биологических мембран для Н⁺, в свое время послужило убедительным доказательством правоты хемиосмотической теории П. Мит­челла.

И здесь в процесс включаются специ­альные белки-переносчики, при помощи которых анион жирной кислоты диф­фундирует через мембрану в обратном направлении, двигаясь уже по градиен­ту заряда. Во внутренней мембране митохондрий бурого жира и других тканей млекопитающих обнаружено семейство так называемых разобщающих UCP (uncouple рго1еш)-белков, выполняющих именно эту функцию (см. рис. 4.20 и 4.21).

Рис. 4.21. Механизм разобщающего действия жирных кислот.

На внешней поверхности мембраны ани­он жирной кислоты RCOO присоеди­няет Н⁺ и в протонированном виде (RCOOH) пересекает мембрану. Внутри митохондрий наступает диссоциация на RCOO и Н⁺. В обратном направлении анион пересекает мембрану с помощью UCP-белка

Не так давно стало ясно, что разобщение электронного транспорта с фосфорилированием имеет место in vivo и у растений. Растительные митохонд­рии содержат аналоги UCP-белков. Так, UCP5-белок обнаружен в митохонд­риях картофеля и арабидопсиса. У арабидопсиса показано наличие нескольких ядерных генов, кодирующих изоформы иСР5-белка, экспрессия которых сти­мулировалась на холоду. Таким образом, растения, как и животные, с помо­щью жирных кислот и UCP-белков способны ликвидировать Δ , освобождая энергию в виде тепла.

Если животные через разобщение могут значительно повысить температуру тела, то растения к этому не способны. Физиологическая функция разобщения в растительном метаболизме связана, видимо, только с регуляцией электрон­ного транспорта. Иногда на фоне избытка нереализованного АТФ необходимо быстро окислить НАДН в дыхательной цепи, чтобы поддержать работу ЦТК. Для этого необходимо увеличить скорость электронного транспорта, который заторможен под действием высоких значений Δ . Снизив величину Δ на мембране через механизм разобщения, можно увеличить скорость электрон­ного транспорта даже при высоком соотношении АТФ/АДФ в матриксе, т. е. «обмануть» систему дыхательного контроля.

Функцией разобщения может быть также защита от окислительного стресса. Дело в том, что при работе комплексов I, II и III часть электронов сбрасыва­ется на кислород. Даже в норме в цепи идет прямое одноэлектронное восста­новление О₂ с образованием супероксидрадикала О

(см. подразд. 4.3.1). В свою очередь О быстро нейтрализуется супероксиддисмутазой с образованием более стабильного продукта — перекиси водорода:

2 О + 2Н⁺ = Н₂О₂ + 0₂

Супероксидрадикал и Н₂О₂ представляют опасность для клетки, так как обладают большой окислительной способностью. В то же время угроза их на­копления в клетке вполне реальна, особенно при насыщении цепи электрона­ми. При высоком Δ торможение электронного транспорта способствует пе­ревосстановлению редокс-центров цепи, электроны с которых начинают ин­тенсивно сбрасываться на кислород. В этих условиях можно снизить интенсив­ность образования супероксидрадикала, если увеличить скорость транспорта и разгрузить цепь через разобщение. Данный вывод подтвержден эксперимен­тально. Так, ингибирование UCP-белка в митохондриях клубней картофеля сопровождалось чрезмерным накоплением Н₂О₂. И, наоборот, при активации разобщения жирными кислотами уровень этого опасного соединения в клетке был низким.