4.7. Ионные градиенты как источники энергии в клетке

 

Как отмечалось в гл. 3, органические фосфагены, например креатинфосфат и АТР, являются своего рода энергетической валютой для различных энергозависимых процессов, протекающих в клетке. Другой важный источник свободной энергии в живых клетках – это трансмембранные электрохимические градиенты. Они создаются на клеточной мембране мембранным насосом с использованием энергии химических связей (см. предыдущий раздел) или световой энергии у фотосинтезирующих организмов. Свободная энергия, запасаемая в электрохимическом градиенте, зависит от отношения концентраций ионов, вернее, активностей ионизированных частиц по разные стороны мембраны. При перемещении этих ионов по градиентам через мембрану энергия высвобождается.

Среди основных биологических процессов, протекающих с использованием свободной энергии ионных градиентов, можно назвать следующие три.

1. Генерация электрического сигнала. Электрохимическая энергия запасается в мембране прежде всего в виде градиентов Na⁺ и Са^2 + . Высвобождение этой энергии происходит при срабатывании каналов, имеющих «ворота». В норме эти каналы закрыты, но в ответ на определенный химический или электрический сигнал они переходят в открытое состояние и пропускают лишь строго определенные ионы. Эти ионы пассивно диффундируют через мембрану по своим электрохимическим градиентам, а поскольку они несут заряд, при этом возникает электрический ток и происходит изменение трансмембранной разности потенциалов. Этот биологический феномен обсуждается в гл.5.

2. Хемиосмотическое   преобразование   энергии. Хемиосмотическая гипотеза, ставшая ныне общепризнанной, была предложена в 1961 г. Питером Митчеллом (1966) для объяснения механизма превращения энергии окисления, высвобождаемой в электронтранспортной цепи, в энергию химических связей, запасаемую при окислительном фосфорилировании ADP до АТР в митохондриях. В основе этой теории лежат два постулата. 1. Благодаря высокоспецифичной ориентации ферментов, катализирующих окислительно–восстановительные реакции, во внутренней мембране митохондрий электронтранспортная система дыхательной цепи выводит протоны из митохондрий в цитоплазму (рис. 4–32).

 

Рис. 4.32. Первый постулат, лежащий в основе хемиосмотической гипотезы преобразования энергии по Митчеллу (см. текст). Как показано на этой упрощенной схеме, протоны выводятся из митохондрий с помощью электронтранспортной цепи за счет энергии окисления. Для осуществления однонаправленного переноса Н+необходима высокая структурная упорядоченность в размещении молекул дыхательной цепи (кружки) во внутренней митохондриальной мембране. В результате работы этой системы происходит накопление Н+ со стороны цитоплазмы и ОН¯ –с обратной стороны.

 

Предполагается, что внутренняя митохондриальная мембрана имеет низкую проницаемость для Н ⁺, так что откачивание протонов приводит к накоплению ОН¯ (т.е. повышению рН) внутри митохондрии и Н⁺ (т.е. понижению рН) снаружи ее. 2. Формирующийся таким образом высокоэнергетический протонный градиент служит источником свободной энергии для реакции удаления НОН из ADP + P_i, в результате чего образуется АТР:

 

ADP + P_i  АТР + Н₂0,

ΔG°' = + 7,3 ккал/моль.

 

Согласно теории Митчелла, эта реакция зависит также от физической ориентации АТРазного комплекса во внутренней мембране митохондрии – она должна быть такой, чтобы фермент мог использовать трансмембранное разделение Н⁺ и ОН¯. По–видимому, протон, высвобождающийся ферментативным путем из ADP, поступает в обогащенное ОН¯ внутреннее пространство митохондрии, где образуется НОН (рис. 4–33). Группа ОН¯, отщепляемая от неорганического фосфата, выводится наружу и, реагируя с избыточным Н⁺ , образует НОН. Таким образом, градиент Н⁺/ОН¯ обеспечивает необходимой энергией реакцию отщепления воды при фосфорилировании. Вслед за гидратацией активный центр АТРазы образует фосфатную связь

 

ADP¯+ P_i⁺  АТР

 

без дальнейших затрат энергии.

Хемиосмотическое преобразование энергии, аналогичное тому, которое предположительно происходит при окислительном фосфорилировании в митохондриях, по–видимому, имеет место при фотосинтезе в хлоропластах и фотосинтезирующих бактериях. Кроме того, есть данные о том, что в некоторых условиях происходит обращение функционирования Na ⁺– К⁺–насоса, который в норме использует энергию АТР для формирования градиента Na⁺. В этом случае при перемещении Na⁺ по градиенту насос может участвовать в синтезе АТР изADP и P_i

3. Транспорт веществ против градиента. Перемещение некоторых молекул против их концентрационного градиента осуществляется за счет перемещения какого–то другого вещества по его концентрационному градиенту. Так, с помощью градиента Na⁺ происходит перенос через мембрану некоторых сахаров и аминокислот путем симпорта (котранспорта) и выведение из клетки Са²⁺ путем антипорта (контртранспорта). Рассмотрим эти способы транспорта более подробно.

 

Рис. 4.33. Второй постулат, лежащий в основе хемиосмотической гипотезы преобразования энергии по Митчеллу (см. текст). Благодаря активности F1 АТРазы расположенной ко внутренней митохондриальной мембране ADP и Pi высвобождают соответственно Н+ и ОН¯ внутрь митохондрии и в цитоплазму. В результате происходит конденсация Pi и ADP с образованием АТР.