Митохондрии растут и делятся так, как этого следует ожидать от симбиотических микроорганизмов. Однако в отличие от их предполагаемых бактериальных предшественников они вряд ли производят хотя бы один из своих компонентов. Большинство митохондриальных белков синтезируется в экстрамитохондриальной цитоплазме согласно приказам, посылаемым из ядра. Но, каким образом белки направляются в митохондрии и проходят через два слоя мембраны митохондрий, еще далеко не ясно.
С определенностью можно сказать, что это происходит не так, как у бактерий. Бактерии сами производят белки с помощью своих рибосом, считывая информацию с генов. Казалось бы, симбиотические потомки должны были последовать примеру своих далеких предков. Поскольку это не так, значит, мы должны отвергнуть симбиотическую теорию происхождения митохондрий. Но не обязательно, так как митохондрии не полностью контролируются генами ядра. У них имеется собственная генетическая система, очень примитивная и рудиментарная, кодирующая только небольшое количество белков. Но все же она цельная, законченная, содержит ДНК, а также все другие структуры, необходимые для репликации, транскрипции и трансляции генетической информации. Эта система функционирует, что проявляется в синтезе некоторых специфических митохондриальных белков, например части комплекса цитохромоксидазы. Она даже может подвергаться мутациям, которые поэтому передаются цитоплазмой, а не ядром, согласно обычному менделевскому хромосомному механизму. Типичный пример наследственных изменений, затрагивающих митохондриальную ДНК, — так называемая «реtitе» мутация дрожжей.
Удивительно другое: система митохондриального генетического аппарата имеет типичные черты бактерий. ДНК кольцевая, напоминающая бактериальную ДНК. Рибосомы меньше цитоплазматических и почти таких же размеров, как бактериальные. Их способность синтезировать белки блокируется антибиотиком хлорамфениколом, ингибитором синтеза белка бактерий, но не синтеза белка эукариотов; на синтез белка не влияет циклогексимид — ингибитор белкового синтеза эукариотов, который также неактивен у бактерий. И, что самое поразительное, митохондрии даже не «разговаривают» на языке, свойственном всей остальной клетке; у них несколько иной генетический код.
Таковы несколько причин, в силу которых многие ученые верят в происхождение митохондрий от каких-то далеких прокариотических предков, которые были «усыновлены» эндосимбиотическим путем. В процессе длительной интеграции они постепенно утеряли контроль над собственной судьбой, но все же умудрились сохранить определенные признаки своей ранее существовавшей автономии, которые пронесли без изменения в ходе длительного, изнуряющего процесса эволюции. Они в какой-то степени проливают свет на исторические события необычайной важности,которые происходили более миллиарда лет назад. События эти могли бы навсегда остаться погребенными во мраке прошлого, если бы не митохондрии-«сплетники». Однако взгляды на раскрытие тайн расходятся, и эти явления интерпретируются разными учеными по-разному.
Митохондриальные энергетические преобразователи располагаются исключительно внутри розового, складчатого «футляра», который образует внутреннюю мембрану телец. Это очень тонкая оболочка толщиной 7 при нашем увеличении в миллион раз она составит чуть больше 60 мм. Снаружи она гладкая, а изнутри покрыта мелкими узелками. Узелки имеют в диаметре около 9 им (что составляет примерно 80 мм при увеличении в миллион раз) и прикрепляются к мембране короткими, узкими стволиками, отчего внутренняя сторона мембраны похожа на поверхность, покрытую крошечными грибами.Для дальнейшего исследования нам потребуется наше молекулярное увеличительное стекло. Вид, который открывается с его помощью, поистине удивителен; это один из величайших шедевров молекулярной инженерии. Вся поверхность мембраны покрыта микросферами; каждая из них состоит из 15—20 различных видов электронных носителей, объединенных для обеспечения необходимого электронного переноса. В одном-единственном теле митохондрий может существовать почти 100 000 таких микросфер.
Эти микросферы, обычно называемые дыхательными цепочками, включают набор различных молекул. Наиболее известные среди них — флавины и гемы. Флавины — удивительный класс зеленовато-желтых пигментов, образованных из рибофлавина, или витамина Вг. Наиболее важными флавиновыми производными являются флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД). Их основное свойство заключается в способности выступать в роли носителей водорода. Таким образом, они служат коферментами для многочисленных фла - виновых дегидрогеназ.
Гемы близкие родственники хлорофиллов, зеленых фотосинтетических пигментов, с которыми их роднит одно характерное свойство: наличие порфиринового ядра — плоской, дискообразной молекулы, состоящей из четырех пиррольных колец, связанных метеновыми (—СН=) мостиками. В центре диска имеется отверстие, окруженное электронами четырех резонирующих атомов азота. Если мы поместим в отверстие ион магния, то получим молекулу хлорофилла. При замене иона магния на ион железа получится гем Благодаря свойству железа принимать форму двухвалентного (Ре2+) или трехвалентного (Ре3+) иона гем представляет собой электронный носитель:
Гем—Ре2+ ^ Гем—Ре3+ + е~.
В комбинации с белками гемы образуют целый набор «доспехов», состоящий из разноцветных молекул с оттенками от кроваво-красного до горохово-зеленого. Все они в той или иной степени участвуют в утилизации кислорода. Наиболее известная функция заключается в доставке кислоро-да, который переносится красным кровяным пигментом — гемоглобином. В дыхательной цепочке гемопротеиды представлены рядом цитохромов, названных так из-за того, что они были обнаружены среди самых первых пигментов, постоянно присутствующих в клетках.
Помимо двух упомянутых главных классов переносчиков электронов дыхательная цепь содержит дифенолы, которые окисляются до соответствующих хинонов,железосерные белки, в которых ионы, несущие электроны, заключены в оболочке сульфгидрильных групп, связанные с белками ионы меди и, возможно, другие компоненты. Отметим (как тему для дальнейшего обсуждения), что одни из этих молекул выступают непосредственно как электронные носители (гемопротеиды и металлопротеиды), тогда как другие переносят атомы водорода (т. е. электроны в комбинации с протонами).
Внутри каждой дыхательной микросферы эти различные молекулы организованы таким образом, что могут работать как высокоэффективные «сборочные бригады» электронов. Это означает прежде всего, что они построены в виде нисходящих электронных потенциалов, поэтому электроны могут легко падать от одного компонента к другому. Кроме того, они ориентированы друг к другу так, чтобы их активные центры могли легко обмениваться электронами с партнерами по обеим сторонам; для достижения необходимых контактов достаточно только малейших изменений положения, вызванных тепловыми колебаниями и вращениями. И наконец, они должны подходить к соответствующим входным и выходным отверстиям. Как мы увидим, главный вход обеспечивается флавопротеидным ферментом, который переносит электроны от матричной НАДН к верхней части дыхательной цепи. На более низких энергетических уровнях существуют несколько вторичных вводов. Главное выводное отверстие ведет к кислороду через сложный комплекс цитохромов и меди, известный в настоящее время как цитохромоксидазы, но первоначально названный его первооткрывателем, немецким биохимиком Ото Варбургом, дыхательный фермент. Нам это название представляется наиболее подходящим, поскольку большая часть кислорода, потребляемого для дыхания, в биосфере ис-пользуется благодаря данному ферменту.
Для сборки такой электронно-транспортной цепи требуется большое искусство. И все же эти архитектурные ухищрения кажутся почти тривиальными по сравнению с некоторыми другими свойствами дыхательной цепи, так как микросферы являются не только электронными проводниками. Они также проводники энергии, организованные таким образом, чтобы улавливать энергию, излучаемую электронами по мере их падения к кислороду, и тем самым подготовить их к использованию в биологической работе с АТФ. Другими словами, в микросферах содержатся окфос-блоки.
Это вносит два дополнительных условия в их устройство. Во-первых, потенциал носителей должен быть сбалансирован таким образом, чтобы обеспечить необходимое падение электронов. Вспомним: для производства парой электронов энергии, достаточной для поддержания синтеза молекул АТФ, электроны должны упасть вниз с разностью потенциалов как минимум 300 мВ. Во-вторых, электроны, претерпевающие такие падения, должны подчиняться условиям, так или иначе связывающим их поток с синтезом АТФ. Такая же картина наблюдается при прохождении потока воды через гидротурбину, в результате чего вырабатывается электричество.
Первое условие обеспечивается весьма умело и эффективно. На пути движения электронов имеется по крайней мере три окфос-блока или фосфорилирующих участка, объединенных вместе. Это так называемые участки I, II и III, разделенные плат формами, которые мы обозначим как уровни НАДН, Ь — Начнем с рассмотрения уровня с. Он получил название от цитохрома с, своего основного компонента. Среди веществ, способных отдавать электроны в цепь на этом уровне, имеется аскорбиновая кислота, или витамин С—'вещество, содержащееся в свежих фруктах и овощах и пред-отвращающее развитие цинги — обычной болезни мореплавателей в прошлом. (Слово «аскорбиновая» произошло от сочетания греческой приставки «а», означающей «нет», и английского слова зсогЬи! — цинга.) Не ясно, связано ли противоцинготное свойство витамина С непосредственно с его способностью отдавать электроны, хотя и не исключено, что это осуществляется каким-то особым путем. Однако в лабораторных экспериментах аскорбиновая кослота взаимодействует с митохондриями на с-уровне, и это позволило выявить окфос-блок на участке III, когда обнаружилось, что одна молекула АТФ синтезируется для каждой пары электронов, перенесенной с аскорбиновой кислоты на кислород
Подход к участку II осуществляется через Ь — Q-уровень, названный так потому, что в нем находятся одновременно цитохром Ь и кофермент С, или убихинон — электронный носитель хинонового типа. С уровнем Ь — С? связано несколько ФАД-зависимых флавопротеидов: они служат входными отверстиями для электронов, поступающих от определенных метаболических субстратов, таких, как янтарная кислота — промежуточный продукт цикла Кребса и жирные производные ацилкофермента А — активированные формы жирных кислот. Когда пара электронов поступает на этот уровень, она падает вниз через два последовательных окфос-блока. При этом образуются две молекулы АТФ.
Уровень НАДН занят специфическим флавопротеидом, который переносит электроны от НАДН на участок I фосфорилирования. Для каждой электронной пары, поступающей на этот уровень и собираемой кислородом на дне, синтезируется всего три молекулы АТФ. НАД+ сам по себе служит электронным акцептором в бесчисленном ряде реакций. Таким образом, в этот поток направляется большинство катаболических электронов у аэробных организмов.
Эффективность этих митохондриальных трансформаторов поистине удивительна. При участии НАДН, выступающего в роли донора электронов, свыше 85% свободной энергии окисления восстанавливается в виде АТФ: ЗХ 14=42 ккал на пару электрон - эквивалентов из общей суммы 49. При участии ФАДН2 эффективность ' несколько меньше, но все же значительна и составляет 2X14=28 ккал на пару электрон-эквивалентов из 37, или 76%.
В сочетании с высокой эффективностью реакций холодного сгорания общая эффективность процесса достигает 80%. Эту величину легко рассчитать по данным, приведенным в табл. 4. А данные эти просто ошеломляют! С ними не идут в сравнение никакие источники энергии, созданные руками человека. Они отражают удивительное свойство энергетических преобразователей, заключенных в микросферах внутренней мембраны митохондрий.
Механизм работы этих преобразователей занимал умы лучших исследователей более трех десятков лет. По мнению английского ученого Питера Митчелла, родоначальника широко распространенной хемиосмотической теории, все дело в движущей протоны силе. Эта проблема для туристов представляет исключительную трудность, но все же попытаемся к ней приблизиться. Ибо, как нам станет ясно из гл. 10, это один из центральных механизмов жизни, а потому его рассмотрение стоит затраты дополнительных усилий.






Групповой перенос — основа биосинтеза. Его проявления бесконечно разнообразны и часто крайне запутаны, но главный принцип удивительно прост. По существу он заключается в переносе химического радикала или группы от донора к акцептору,где буквами А, В и С обозначен вид молекулярных группировок, в частности В — переносимая группа. Как видно из схемы, в групповой перенос вовлечены некоторые виды неустойчивых триад промежуточных продуктов (они показаны внутри скобок), в которых одна группа временно принадлежит бывшему и настоящему партнерам. Это типичный пример извечного треугольника на молекулярном уровне: А—В представляют собой достаточно счастливую пару до появления С, который после некоторого непонятного обмена партнерами уводит с собой В. В соответствии с той злодейской ролью, которую в данном случае играет С, подобную реакцию можно представить как нападение С на В или как лизис (расщепление) группы А—В под влиянием группы С. (Пример: гидролиз, при котором вода выступает в качестве атакующего агента.) Жертва атаки, А, называется остаточной группой. Если реакция протекает справа налево, то группы меняются ролями: А является атакующей группой или литическим агентом, а С — остаточной группой. И в том, и в другом случае происходит перенос В, что позволяет считать термин «перенос» наиболее удачным для обозначения этого процесса.
Чтобы подобного рода драма могла произойти среди людей, необходимы два условия. Во-первых, ее участников должны связывать интимные отношения. Во-вторых, В должен иметь большую склонность или сродство к С, чем к А, что делает связь В—С более прочной, чем А—В. Если помнить о дистанции, отделяющей мир человека от мира молекул, то окажется, что реакции переноса групп подчиняются тем же двум условиям.
Первое из них — кинетическое условие реакции. Обычно требуется участие специфического фермента или трансферазы, способствующих достаточно тесному контакту А—В с С (или В—С с А), с тем чтобы появилась возможность дестабилизации существующей связи и образования промежуточного продукта, состоящего из трех составных частей. В клетках содержатся сотни таких групповых трансфераз. Вместе с электронными трансферазами они составляют более 90% общего количества ферментов в живом организме.
Вторым условием является термодинамика. Если связь В—С сильнее, чем А—В, для разрыва связи В—С необходимо приложить больше усилий, чем для А—В. Это означает что при связывании В с С теряется больше свободной энергии, чем при связывании В с А. Поэтому на энергетической шкале группа В в связи В—С распологается ниже, чем в А—В, и при первой возможности упадет на еще более низкий уровень. То же можно сказать и о человеческих отношениях: проникнувшись чувством к одному человеку, мы не гарантированы от того, что не влюбимся в большей степени в другого. Но в мире молекул важна не только сила двух связей. Относительное содержание четырех участников (А—В, С, А и В—С) также очень важно. Молекулярные «супружеские неверности» — массовые события, вовлекающие множество участников. Связь, способная устоять перед десятком атакующих групп, не выдержит штурма 10 000 групп из-за влияния концентрации на силу химических реакций.
Большинство переносчиков биологических групп действуют согласно механизму так называемой нуклеофильной атаки; это означает, что атакующий агент обладает сродством к положительно заряженным радикалам (ядро атома заряжено положительно). Электрофильные атаки встречаются реже, если не считать наиболее ярко выраженной формы — электронного транспорта.
Нуклеофильные атаки обычно осуществляются отрицательно заряженными ионами или их протонированными двойниками.Если имеются протонированные агенты то происходит обмен протонов со средой, как при электронном переносе:В обеих формулах нестабильный тройственный промежуточный продукт имеет одинаковую структуру. Он состоит из двух отрицательно заряженных групп, соперничающих между собой за право обмена электронной парой с таким же положительно заряженным радикалом В+:Победителем, как мы уже видели, окажется тот, кто свяжется с группой на более низком энергетическом уровне. Очень важно знать энергетический уровень, занимаемый данной группой в ее различных положениях; не менее важно знать и энергетический уровень, занимаемый электронами, поскольку в данном случае можно предсказать спонтанные направления группового переноса между любыми двумя партнерами и одновременно рассчитать максимальное количество работы, которое может быть совершено при этом переносе (что является в то же время и минимумом, который необходим для того, чтобы реакция переноса пошла в обратном направлении) .Наиболее удобным способом оценки энергетического уровня переносимых групп в данной комбинации представляется определение ее свободной энергии гидролиза АОгидр, т. е. свободной энергии, высвобождаемой при атаке группы со стороны воды или гидроксильного иона ОН - Например,
А—В + Н20 — АН + В —ОН
или
В-С + ОН - — СН + в—О-
Свободная энергия этих реакций гидролиза называется групповым потенциалом. Установленные для «физиологических» условий, которые приближаются к условиям, преобладающим в живой клетке, групповые потенциалы позволяют правильно оценить энергетические уровни переносимых групп, так же как электронные потенциалы характеризуют переносимые электронные пары. В обоих случаях мы измеряем уровни относительно наиболее распространенных природных веществ, служащих для нас точками отсчета: НгО или ОН-, выступающих в роли акцептора групповых потенциалов, О, (до Н20), выступающего в роли акцептора электронных потенциалов (Обратите внимание на важную роль воды.)
Согласно сказанному выше, «физиологические» показатели ДОГидр. (А—в) и АОгидр. (В—с) представляют собой групповые потенциалы группы В в ее комбинациях А—В и В—С соответственно. «Физиологическую» свободную энергию при переносе группы В от А—В к С несложно вычислить из разности двух групповых потенциалов:
АОперенос = АОГИдр. (А—В) — АОГИдр. (В—С) •
Если (отрицательный) потенциал А—В больше по абсолютной величине В—С, то ДО переноса отрицательный: В падает с более высокого энергетического уровня в А—В на более низкий в В—С; его перенос из А—В в С может происходить спонтанно. В обратном случае перенос будет эндер - гоническим, и В должен быть снабжен свободной энергией, чтобы подняться с более низкого уровня в А—В на более высокий в В—С.
Групповые потенциалы также оказываются удобными средствами для оценки свободных энергий сопряженных биосинте
тических реакций. Если, ^ например, дегидратационная сборка одной молекулы X—V (см. с. 137) поддерживается гидролизом п молекул АТФ и расщеплением их на АДФ и Фн, то независимо от механизма сопряжения справедливо следующее, взаимоотношение:
Как было впервые показано Фрицем Липманном, одним из основателей современной биоэнергетики, связи, обнаруживаемые в природных веществах, бывают двух видов: высокоэнергетические, обозначаемые волнистой линией (~), и низко-энергетические, обозначаемые прямой линией (—). Концевая связь АТФ с фосфатом — прототип высокоэнергетических связей. Многие связи, имеющиеся в природных соединениях (эфиры, амиды, пептиды, гликозиды), являются низкоэнергетическими; их «физиологические» групповые потенциалы составляют от —6 до —8 ккал на 1 г-моль. Именно благодаря различию между двумя типами связей протекает гидролиз АТФ, снабжающий энергией биосинтетические процессы. На вопрос, каким образом это происходит, ответ гласит: с помощью двуликого Януса.



Для нас, как и для большинства живых организмов, воздух настолько жизненно необходим, что мы не можем себе представить жизни без него. И тем не менее, как уже отмечалось , жизнь зародилась и длительное время существовала в мире, лишенном кислорода. Только после возникновения механизма фотосинтеза, известного специалистам как фотосистема II (а произошло это, вероятно, около 3 миллиардов лет назад, кислород начал поступать в атмосферу в значительных количествах, и его концентрация медленно поднималась до современного уровня, составляющего 20%.
Этот феномен представлял собой угрозу для жизни и послужил причиной исчезновения многих видов организмов, сходных с современными облигатными анаэробными организмами. Дело в том, что молекулярный кислород способен взаимодействовать различными способами с восстанавливающимися биологическими молекулами; в результате образуются такие высокотоксичные продукты, как супероксидный ион СЬ" и перекись водорода Н2О2. У выживших в этих условиях организмов, кроме тех, что нашли убежище в свободной от кислорода нише, развились защитные ферменты, в частности супероксиддисмутаза и каталаза. А некоторые со временем преуспели настолько, что «приручили» кислород и превратили его в самого верного союзника жизни — этого им удалось достигнуть благодаря приспособлению АТФ-генерирующих окфосблоков к использованию кислорода в качестве конечного акцептора электронов. И теперь их многочисленные потомки заполняют большую часть живого мира.Судя по известным анаэробным бактериям, адаптация к кислороду, повидимому, происходила постепенно. В конечном счете этот процесс увенчался одним из величайших достижений Природы — созданием фосфорилирующей дыхательной цепочки: рядом, который состоит из 15 с лишним электронных носителей. Разность потенциалов между НАДФ и кислородом составляет в целом 1, 070 мВ. Цепочка построена таким образом, что включает до трех последовательных окфос-блоков в ряду. Такого рода систему можно обнаружить в плазматической мембране некоторых современных бактерий, которые, как предполагают, унаследовали ее от древнейших предков, впервые приобретших плазматическую мембрану около миллиарда лет назад. По существу такая же система имеется и на внутренней стороне двух мембран, окружающих митохондрии, — это отдельные, покрытые оболочкой тельца размерами с бактерии, во множестве разбросанные по всей цитоплазме подавляющего большинства эукариотов растительного и животного происхождения; в этих клетках митохондрии выполняют роль главных центров дыхания и восстановления окислительной энергии. Связь между бактериальными и митохондриальными системами (если допустить, что таковая существует, а это вполне вероятно) представляет собой захватывающую гипотезу.
В наиболее популярной версии этой истории «героем» выступает примитивный фагоцит — гипотетическая гигантская прожорливая, как бактерия, клетка, которая считается промежуточной формой между прокариотами и эукариотами. Среди ее ежедневной добычи, во всяком случае так гласит упоминаемая версия, имелись некоторые аэробные бактерии, которые не были захвачены и уничтожены с целью получения пищи. Но эти бактерии в свою очередь пощадили своего захватчика в отличие от многих уцелевших патогенных бактерий. Более того, они установили с ним постоянное, выгодное для обеих сторон симбиотическое сотрудничество. Их потомки дожили до наших дней в виде митохондрий эукариотов. Полностью слившись с клеткой-хозяином, что вполне естественно и должно было произойти более чем за миллиард лет совместной жизни, эти органеллы тем не менее сохранили остатки генетической системы типичного бактериального вида наряду с некоторыми другими рудиментарными свойствами, присущими их предкам. Как мы увидим в следующей главе, хлоропласты растительной клетки скорее всего также произошли из симбиотически приспособленных фотосинтетических бактерий.
Эта теория, известная под названием эндосимбионтной гипотезы, имеет немало доказательств в свою пользу, в том числе некоторые филогенетические древа, созданные на основе молекулярных последовательностей. Однако ученые ничего не берут на веру, особенно когда дело касается восстановления событий далекого прошлого. По мнению некоторых исследователей, митохондрии с таким же успехом могли произойти из внутренних складок плазма-тической мембраны увеличивающейся аэробной бактерии, подобно тому как образовался вакуом (гл. 6), но с другим типом дифференцировки, который привел к разделению фосфорилирующей дыхательной цепи на отдельные везикулы. Можно предположить и ряд других вариантов, в том числе независимое происхождение бактериальных и митохондриальных систем путем конвергентной эволюции.
Скромному гиду не следует брать на себя смелость предлагать аргументы, которые до сих пор вызывают спор среди знатоков. Однако для тех, кто питает романтическую склонность к эндосимбионт-ной гипотезе, не могу не упомянуть о некоторых чертах митохондрий (и хлоропластов), которые свидетельствуют в пользу их происхождения из бактериальных эндосимбионтов.



В сокращенном названии АТФ буквой А обозначен аденозин. Это нуклеозид, который определяется как комбинация основания, в данном случае аденина с атомом 1 углерода рибозы — пятиуглеродного сахара, или пентозы. В подобных нуклеозидных комбинациях с рибозой участвуют три других важных основания: гуанин, который, как и аденин, относится к группе пуринов, цитозин и урацил — представители пиримидинов. Соответствующие нуклеозиды называются гуанозином (Г), цитидином (Ц) и уридином (У).
Не останавливаясь подробно на структуре оснований, сконцентрируем наше внимание на другом конце молекулы нуклеози - да, который занят атомом углерода в положении 5 рибозы (его принято обозначать 5' в отличие от атома 5 основания). Этот углерод несет гидроксильную группу ОН, которая в наиболее естественных сочетаниях с нуклеозидом несет форфорильную группу. Такие нуклеозидмонофосфаты называются нуклеотидами; они обозначаются как адениловая, гуаниловая, цитидиловая или уридиловая кислоты или сокращенно АМФ, ГМФ, ЦМФ, УМФ, где буквы МФ обозначает монофосфат.
С этой концевой фосфорильной группой нуклеотидов могут связываться дополнительно одна-две фосфорильные группы по типу связи, которая имеется в пирофосфорной кислоте (пирофосфатная связь). В этих случаях образуются нуклеозиддифосфаты АДФ, ГДФ, ЦДФ и УДФ, а также нуклеозидтрифосфаты АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ (табл. 2).
Таким образом, обозначив нуклеозид символом N (который означает А, Г, Ц или У) и связав его с 5'-гидроксильной группой, получим Нуклеозид - трифосфат (НТФ).Все НТФ являются настоящими супер - янусоподобными типами молекул, трижды двуликими. Три атома кислорода, связанные с фосфорильными группами (а, р, у), по отдельности представляют собой определенные пары групп, способных к переносу. Это свойство делает НТФ чувствительными, по крайней мере теоретически, к воздействию шести видов нуклеофильных атак, которые можно обозначить следующим образом: ар, ал, РР, Р<ь "ур, та, где а, р, у — связи, подвергающиеся атаке, а индексы р и й — проксимальный и дистальный концы (по отношению к ы):на самом деле все эти реакции происходят крайне неравномерно. за исключением редких атак ар и ра, все биосинтетические атаки на нтф происходят в положениях рр и уй. до сих пор неизвестны случаи атак см или 7р.>
Большинство биосинтетических процессов можно классифицировать как регулярно действующие двух - и трехступенчатые механизмы, зависящие от одного из указанных выше типов атак. Как и следует ожидать в этой весьма сложной области, основная тема иногда сопровождается вариациями. Но для знатоков, которыми мы можем считать всех туристов, которые до сих пор не покинули нас, решение этой проблемы не составляет труда. Один нети пичный, на первый взгляд, случай происходит, когда НТФ действует по типу Януса, в качестве донора группы в процессе конечной сборки. Однако нам только кажется, что этот одноступенчатый механизм не подчиняется правилу двух этапов. Группа, которая жертвуется НТФ, подвергается предварительной активации — со стороны ли группы, которая переносится от какой-либо другой молекулы НТФ, или благодаря работе окфос-блока, или в ре-зультате и того и другого — перед тем, как осуществляется ее экзергонический перенос. В таких случаях этап активации совпадает с фазой восстановления обычного двух - или трехступенчатого механизма (см. с. 146—149).
Групповые потенциалы, участвующие в различных видах атаки на НТФ, различаются между собой. Как уже упоминалось, «физиологическая» свободная энергия гидролиза связи у в АТФ равна примерно — 14 ккал/г-моль. Все концевые фосфорильные группы в НТФ и в НДФ имеют одинаковый групповой потенциал. В отличие от них «физиологическая» свободная энергия гидролиза связи р в НТФ значительно выше, частично из-за различия стандартной свободной энергии гидролиза (около 3 ккал/г-моль) и, что важнее, из-за того, что большинство клеток содер-жат высокоактивные пирофосфатазы, гид - ролизующие неорганический фосфат по мере его образования. Поэтому гидролиз Р-связи сопровождается гидролизом образующегося пирофосфата:
НТФ + Н20 - НМФ + ФФн ДОгидр. (р.связы ФФн + Н20—2Фн ДОГИДР (ФФН)
НТФ + 2Н20 — НМФ + 2Фн ДОг„др. (общий)
Такой же конечный результат может быть достигнут при гидролизе сначала у-, а затем р-связей; в каждом из этих случаев «физиологические» свободные энергии реакций известны:
НТФ + Н20 — НДФ + Фн —14 ккал/г-моль НДФ + Н20 — НМФ Фн —14 ккал/г-моль
НТФ + 2Н20 — НМФ +2Фн —28 ккал/г-моль
Независимо от того, начнется процесс с р - или с у-связи, изменение общей свободной энергии при гидролизе обеих
связей должно быть одинаковым. Поэтому, согласно элементарным правилам подсчета.«Физиологическая» свободная энергия гидролиза р-связи НТФ зависит от величины АОридр. (ффн), т. е. от того, насколько близко к состоянию равновесия действие пирофосфата изменяет концентрацию ФФн и Фн. Определить это точно невозможно. Но вполне допустимо, с точки зрения высокой активности ферментов, что достигается состояние, очень близкое равновесию, иными словами, что АСг„др, <ффн) = 0. в соответствии со сказанным мы примем для «физиологической» свободной энергии гидролиза р-связи максимальную величину, равную —28 ккал/г-моль. любопытно отметить, что у некоторых микроорганизмов не образуются очень низкие концентрации пирофосфата; они функционируют за счет экономии пирофосфата. по-видимому, расход лишней энегии, получаемой в результате реакций, протекающих по в-механизму благодаря действию пирофосфатаз, не является жизненной необходимостью.>
Что касается а-связи, то ее «физиологическая» свободная энергия гидролиза имеет величину около —7 ккал/г-моль НМФ. В силу указанной выше причины (гидролиз ФФн) она приближается к вели-чине — 21 ккал/г-моль НДФ и — 35 ккал/г-моль НТФ (распространяя рассуждения до ФФФн).
В табл. 3 суммированы величины групповых потенциалов, которыми мы будем пользоваться в наших дальнейших рассуждениях. Необходимо помнить, что эти величины подвержены довольно значительным изменениям, зависящим от условий, которые преобладают в клетке. Но они все же могут помочь нам лучше понять основные энергетические характеристики биосинтетических механизмов.
Когда связь НТФ разрывается для совершения биосинтеза, ее необходимо восстановить. В случае у-связи в АТФ восстановлением занимается окфос-блок. В любом другом случае связь НТФ восстанавливается за счет одной или нескольких у-связей АТФ благодаря действию транс - фосфорилирующих ферментов, которые катализируют следующие реакции:
АТФ + Н — АДФ + НМФ.
АТФ + НМФ АДФ + НДФ.
АТФ + НДФ АДФ + НТФ.
Первая реакция необратима из-за существенных различий в «физиологической»свободной энергии гидролиза между у-связью АТФ и а-связью НМФ. В двух других реакциях происходит обмен связей с одинаковым энергетическим уровнем и они легко обратимы. Вот почему стоимость такого рода переносов определяется действием окфос-блоков, которые оплачивают счета по затрате энергии. Следует, однако, заметить, что этот счет покрывает только часть биосинтетических процессов — зачастую существенную, а иногда даже единственную, — которая зависит от переносов групп. Могут также происходить и другие процессы, особенно электронный перенос от высокоэнергетических доноров. Биосинтетические восстановительные процессы играют особо важную роль среди аутотрофных организмов (см. гл. 10).
Объединяя различные восстановительные реакции, мы закончим этот раздел сводной диаграммой, на которую в дальнейшем будем ссылаться как на центральный восстановительный механизм. Этот механизм способствует также активации таких строительных блоков, как, например, Фн или НМФ, которыми жертвуют в одноступенчатых биосинтетических процессах. Заметим, что ФФн не может быть включен в НТФ сам по себе, а должен быть сначала гидролизован (то же происходит и с ФФФн, не указанным в диаграмме из-за того, что его появление в свободной форме, если вообще он встречается, крайне редкое и мимолетное явление).
н2о










Полость, ограниченная плотной, внутренней митохондриальной мембраной, заполнена жидкостью, митохондриальным матриксом. Это богатый белками раствор, в основном состоящий из катаболических ферментов, вовлеченных в окислительное расщепление всех основных пищевых продуктов, в том числе аминокислот, которые состэвляют белки, жирных кислот, которые являются основными компонентами липидов, и пировиноградной кислоты, которая, как мы уже знаем, образуется в цитозоле в виде продукта аэробного гликолиза. Все эти пути объединяются в центральном метаболическом водовороте, известном как цикл Кребса. Свое название он получил в честь Ганса Кребса, англо-немецкого биохимика, обнаружившего это явление в конце 1930-х гг.
В этих превращениях участвует пестрая коллекция экзотических молекул; мы не будем пытаться их выявить, отметим только конечные продукты, которые являются очень простыми веществами: это вода, углекислый газ, аммиак или мочевина, неорганический сульфат, т. е. те или почти те вещества, которые образуются при сгорании в печи. Но здесь мы имеем дело с удивительно холодной печью, в которой вещество сгорает, а тепла образуется мало.
Этот парадокс, как вы, возможно, помните из гл. 7, объясняется просто: пищевые продукты не смешиваются с кислородом, они взаимодействуют с водой и в результате отдают атомы водорода или электроны соответствующим акцепторам. Такого рода превращения протекают при температуре клетки; при этом высвобождается небольшое количество энергии. В редких случаях, когда пищевые продукты производят довольно большое количество энергии, они направляются для участия в работе окфос - блоков на субстратном уровне, как, в частности, происходит при гликолизе.
Возьмем, к примеру, глюкозу. На каждую молекулу этого сахара, окисляемого в живой клетке, высвобождается в общей сложности 12 пар электронов:
С6Н|206 + 6Н20 >- 6С02 + 24е~ + 24Н+.
Две из этих пар образуются за счет окислительного гликолиза («ампутированная змея», см. гл. 7):
С6Н|206 ^ 2СН3—СО—СООН + 4е~ + 4Н+.
Другие десять получены при дальнейшем окислении в цикле Кребса из молекул пировиноградной кислоты, образующейся в результате гликолиза:
2СН3—СО—СООН + 6Н20 к
>- 6С02 + 20е~ + 20Н+.
При гликолизе, как мы уже убедились, электроны переносятся на НАД+ через окфос-блок субстратного уровня:
4е~ + 2Н+ + 2НАД+ + 2АДФ + 2Фн >-
>- 2НАДН + 2АТФ + 2Н20.
В цикле Кребса четыре из пяти пар электронов, высвобожденных в результате окисления одной молекулы пировиноградной кислоты, переносятся на НАД+, в одном случае через окфос-блок субстратного уровня. Пятая пара поступает к фла - виновому коферменту, ФАД (см. ниже) Таким образом, для двух молекул пировиноградной кислоты имеем:
20е" + 12Н+ + 8Н АД + + 2ФАД + 2АДФ + 2Фн ->- 8НАДН + 2ФАДН2 + 2АТФ + 2Н20.
Сложив оба процесса, получим:
24е~ + 14Н+ + 10НАД+ + 2ФАД +
+ 4АДФ + 4Фн >- 10НАДН +
+ 2ФАДН2 + 4АТФ + 4НгО.
что для анаэробного окисления глюкозы, которое обычно происходит в живой клетке с участием быстро вступающих в реакцию электронных акцепторов, дает:
СбН12Об + 2Н20 + 10НАД+ + 2ФАД +
+ 4АДФ + 4Фн 6С02 + 10НАДН +
+ 10Н+ + 2ФАДН2 + 4АТФ.
Аэробная часть этого процесса связана с переносом электронов от восстановленных коферментов к кислороду:
10НАДН + 10Н+ + 2ФАДН2 + 602 *
* 10НАД+ + 2ФАД + 12Н20.
Энергетические балансы анаэробных и аэробных частей легко вычислить. Как мы уже видели (гл. 7), «физиологическая» свободная энергия окисления (электронный потенциал) НАДН составляет —49 ккал на пару электрон-эквивалентов, переносимых на кислород. С учетом того, что «физиологический» электронный потенциал ФАДН2 составляет около —37 ккал .на пару электрон-эквивалентов, переносимых на кислород, для аэробной части сумма составит —:564 (10X49 + 2X37) ккал/г-моль окисленной глюкозы.
С другой стороны, согласно калориметрическим измерениям, «физиологическая» свободная энергия окисления глюкозы с кислородом в качестве электронного акцептора равна — 686 ккал/г-моль. В таком случае анаэробный баланс составляет при-мерно — 122 (686—564) ккал/г-моль, из которых 56 (4Х 14) ккал/г-моль получены в результате работы окфос-блока на субстратном уровне, а 66 расходуются на теплоту.
Другими словами (см. табл. 4), когда живая-клетка «сжигает» глюкозу с использованием собственных электронов вместо кислорода, то сохраняется более 90% свободной энергии, которая будет потеряна, если в процессе в роли акцептора участвует кислород. Большая часть этой энергии запасается в виде восстановленных коферментов и меньшая часть — в виде АТФ. По аналогии с гидродинамикой, которую мы про вели в конце гл. 7, это означает, что элект роны, высвобождаемые при биологическом окислении глюкозы, в первую очередь переносятся в энергетически богатые резервуары, расположенные намного выше уровня вода/кислород. В восьми из двенадцати случаев эти переносы осуществляются через небольшие различия в высоте, с малой потерей энергии. В остальных случаях различия в высоте значительные, но падение электронов используется в работе окфос-блоков субстратного уровня, производящих АТФ.
Жирные кислоты и аминокислоты в основном претерпевают такой же вид холодного сгорания, как пальмитиновая и глутаминовая кислоты (см. табл. 4). Их полное окисление сопровождается запасанием свыше 90% свободной энергии, полу-чаемой при сгорании, в энергетически богатых кофакторах.
Зная эти показатели, мы можем лучше понять положение наших древних анаэробных предков. Поскольку НАД, ФАД и другие электроннесущие коферменты находятся в клетке в каталитических количествах, преимущества холодного сгорания проявляют ся только в том случае, если для электронов, запасаемых в этих коферментах, имеется возможность оттока. При брожении проблема решается путем возврата элект-ронов в субстратный поток. При этом процесс протекает, но с очень низким энергетическим выходом. Так, анаэробный гликолиз, как мы убедились, дает только 47 ккал/г-моль использованной глюкозы, или менее 7% энергии, которая может быть получена при полном окислении. Он снабжает клетку только двумя молекулами АТФ, или 28 ккал готовой к использованию энергии.
Другой недостаток брожения заключается в том, что он налагает жесткие стехиометрические ограничения на метаболические пути. Субстрат . отдает ровно столько электронов, сколько поступит обратно в субстратный поток. Однако если электроны, запасаемые в коферментах, выгружаются на экзогенный акцептор, эти ограничения перестают существовать. В таких случаях любой вид окисляемого пищевого продукта можно полностью использовать. Это обеспечивает большую степень гибкости и зачастую лучший энергетический выход, по крайней мере с точки зрения клетки. Однако, с точки зрения мировых запасов энергии, крайне расточительно, если электроны будут выгружаться без возврата энергии.
Еще раз обратимся к примеру с глюкозой. Как мы имели возможность убедиться, фосфорилирование на субстратном уровне обеспечивает анаэробное брожение двумя молекулами АТФ или 28 ккал/г-моль использованной глюкозы. Из табл. 4 видно, что при полном окислении этот выход удваивается. Но какой дорогой ценой! В то время как при брожении высвобождается только 47 ккал из полученных 686, а оставшиеся возвращаются в окружающую среду в виде энергетически богатых молекул молочной кислоты или этанола, при свободном окислении все 686 ккал растрачиваются для ничтожно малого дополнительного выигрыша, составляющего 28 ккал/г-моль использованной глюкозы И если при изобилии с таким расточительством еще можно мириться, то при нехватке пищи оно становится преступным. И все же, возможно, некоторые примитивные аэробные организмы действовали именно таким путем, и у самых развитых эукариотов до сих пор происходят такие расточительные реакции .
Очевидно, единственный путь свести к минимуму непроизводительную затрату энергии окисления — использовать энергию, которая высвобождается при переносе электронов от восстановленных коферментов к конечному акцептору. Но это сопряжено с удачным расположением окфос - блоков на пути движения электронов. В ходе эволюции сформировалось немало приспособлений такого рода, которые «впряглись в одну упряжку» с определенными акцепторами электронов. Наилучшие результаты были достигнуты с кислородом, выступающим в роли конечного акцептора, особенно после того как фосфорилирующая дыхательная цепочка приобрела свою окончательную структуру — такую, которую мы сегодня обнаруживаем в митохондриях и некоторых аэробных бактериях. Клетки, оснащенные такими современными «спасателями» энергии, в состоянии производить до 38 молекул АТФ из одной - единственной молекулы глюкозы, восстанавливая около 80% всей свободной энергии, высвобождаемой в результате окислительного процесса в готовой к усвоению и использованию форме.





Внутренняя мембрана митохондрий не-проницаема для протонов: сквозь нее не могут проникнуть ионы водорода. А значит, она непроницаема и для гидроксильных ионов, ОН~, которые в противном случае могли бы выступать в качестве носителей ионов Н+, забирая их с собой в виде Н2О и возвращая в виде ОН-. На самом же деле мембрана полностью непроницаема для ионов: ни один ион, будь он отрицательно или положительно заряжен, не может проникнуть сквозь нее в ощутимых количествах путем пассивной диффузии. Все распределение ионов между митохондриями и окружающим цитозолем четко регулируется с помощью специальных во-рот или насосов.
Имеется такой насос, вернее, два типа насосов, и для протонов. Оба предназначены для того, чтобы насильственно перекачивать протоны из митохондрий при условии снабжения энергией. Оба они обратимы, иными словами, могут вырабатывать энергию за счет внутреннего потока протонов. Но их энергетическое снабжение различно: один насос работает за счет электронов, другой — за счет АТФ. Короче говоря, секрет окфоса заключается в том, что поток электронов и синтез АТФ связаны между собой протондвижущей силой.Рассмотрим сначала насос, работающий за счет АТФ. При расщеплении одной молекулы АТФ на АДФ и неорганический фосфат насос выводит п протонов из тела митохондрии. Он может продолжать работать таким образом до тех пор, пока способен превосходить потенциал протонов образующийся снаружи. Когда же этот потенциал становится равным мощности насоса, последний перестает работать, точно так же, как это происходит с электрическим насосом, который способен накачивать воду только на определенный уровень в зависимости от мощности электродвигателя. Мощность насоса, работающего под действием' АТФ, нам известна: она составляет примерно 14 ккал/г-моль расщепляющейся молекулы АТФ. Поэтому максимальный уровень, на который он может поднять протоны, равен приблизительно 14/я ккал/протон-эквивалент.
По такому же принципу работает и электрон-управляемый насос, если не считать того, что он снабжается энергией, высвобождаемой парой электронов, падающих вниз через разность потенциалов. Если эта разность составляет 300 мВ, то получаемая энергия будет равняться 14 ккал/пара электрон-эквивалент. Такой насос, как и АТФ-управляемый насос, перестанет работать, когда потенциал протонов достигнет 14/п ккал/протон-эквивалент, где п — количество протонов, которое насос перемещает на каждую пару падающих электронов. Оказывается, что значение п для двух типов насосов одинаково; в противном случае сопряженная система, описанная здесь, не смогла бы работать.
Если теперь нам известно, что два насоса работают совместно против одного и того же потенциала протонов и один из них оказывается чуть сильнее другого, то более мощный насос поднимет потенциал протонов выше предельного уровня более слабого насоса, который, если он обратим, начнет работать в обратном направлении. То же происходит с двумя электрическими насосами, перекачивающими воду вверх в один и тот же резервуар: если один из них сильнее, он поднимет воду на уровень, достаточный для того, чтобы направить поток обратно через более слабый насос и заставить его работать в качестве генератора. В обратимой системе такого типа количество электричества, вырабатываемого вторым насосом, будет равно количеству электричества, потребляемого первым насосом, за исключением ничтожно малых потерь из-за несовершенства системы. Таким образом электрическая энергия передается с помощью гидравлического преобразователя.Аналогичная ситуация наблюдается в митохондриальной мембране, только уже с другими видами насосов и энергии. Чаще всего более мощным из двух митохондриальных насосов оказывается тот, который приводится в действие электронами, ибо он все время снабжается топливом в процессе метаболизма, тогда как АТФ постоянно потребляется для выполнения различных видов работы в клетке. Вот почему АТФ-управляемые насосы работают в обратном направлении, создавая АТФ с помощью протондвижущей силы, которая снабжается потоком электронов.
Обычно эта система не работает в обратном направлении, так как для этого не существует отдельного источника АТФ Но может случиться, что один из электрон управляемых насосов окажется более мощным, чем другие. Как мы помним, в дыхательной цепи имеются три окфос-блока, каждый из которых связан с разными носителями электронов, а следовательно, с разными насосами протонов. Самый мощный из них тот, что находится на участке III. Его разность потенциалов близка к 500 мВ, поэтому он в основном необратим, тогда как насосы на участках I и II легко обратимы; их разность потенциалов около 300 мВ. Благодаря дополнительному падению до участка III электроны, поступающие в систему на уровнях с или Ь — Пытаясь представить себе эту систему, вы должны понять, что митохондриальные протонные насосы не секретируют просто кислоту, как это делает, например, протонный насос слизистой, выстилающей желудок. Дело в том, что вытесняемые протоны не сопровождаются отрицательно заряженными ионами и не обмениваются на другие положительно заряженные ионы. Как только протоны выталкиваются наружу, нарушается электрический баланс за счет потери положительных зарядов внутри митохондрий, а по всей митохондриальной мембране образуется электрический потенциал, положительный снаружи. По мере увеличения потенциала становится все труднее выталкивать протоны наружу против этого потенциала — вспомним, что, согласно закону Кулона, одноименные заряды отталкиваются друг от друга. В конце концов насос не выдержит перегрузки и остановится, когда работа, необходимая для проталкивания дополнительного положительного заряда против электрического потенциала, сравняется с мощностью насоса. Другими словами, протонный потенциал в этой системе выражается в основном в виде разности электрического потенциала через мембрану. Существует небольшое различие в кислотности между внутренней и внешней частями митохондрий, но оно несущественно.
Мы можем рассчитать мембранный потенциал митохондрии, зная, что мошность насоса составляет 14/п ккал/протон эквивалент (58 600/п Дж/протон-эквивалент) или
58 600 96 500 х га ~ ' / •
По Митчеллу, п — 2; в таком случае потенциал мембраны равен 300 мВ. Но не все ученые разделяют точку зрения Митчелла. Некоторые утверждают, что п — 3 или 4; в этих случаях потенциал будет составлять 200 или 150 мВ соответственно. Другие считают, что величина мембранного потенциала еще ниже, и не потому, что они, не согласны со стехиометрией Митчелла, а потому, что, по их мнению, протонный потенциал частично проявляется в конформационных изменениях мембраны. К сожалению, у нас нет необходимого вольтметра, позволяющего решить этот вопрос. Да и зрение наше не настолько острое, чтобы можно было обнаружить, изменяются ли очертания и формы молекул при энергизации микросфер.Что же мы знаем о самих насосах? Увы, очень мало. Известно несколько АТФ-управляемых протонных насосов. Помните, один из них находится в мембране эндосом и лизосом? Что же касается молекулярного механизма, связывающего перенос протонов с гидролизом АТФ, то ни для одного из насосов он еще не открыт. Известно только, что митохондриальный АТФ-управляемый протонный насос находится в маленьких узелках, выступающих с внутренней стороны мембраны; их можно выборочно разрушить веществом, называемым олигомицином. Как указывает само название, олигомицин получают из плесени . В нашем путешествии мы встретимся и с другими «мицинами». Они являются поистине бесценными помощниками биохимиков и молекулярных биологов, помогая им расшифровать некоторые наиболее сложные биологические механизмы. Интересно, что все эти вещества в некотором роде представляют собой ответвления от пенициллина. До открытия последнего немногие ученые проявляли интерес к плесени. Но после того, как стало известно, что плесневый грибок производит вещество (вполне понятно названное пенициллином), способное остановить развитие некоторых патогенных микробов, начался широкий поиск других плесневых продуктов, обладающих свойствами антибиотиков. С этой целью по всему миру отбирали сотни тысяч линий плесени и получали большой «урожай» активных веществ. Некоторые из них, например стрептомицин, были использованы в клинике. Но от большинства других пришлось отказаться, так как они оказались крайне токсичными для организма человека. Эти вещества подавляют ряд важных биологических процессов, в частности транскрипцию ДНК, синтез белка или окислительное фосфорилирование. В биохимии нередко о работе какого-либо механизма можно судить по тому, как он блокируется ингибиторами. Вот почему эти вещества, будучи непригодными для лечения людей, оказались бесценными для науки. Этот факт, как, впрочем, многие другие в истории науки, лишний раз свидетельствует о том, сколь непредсказуемы открытия и сколь недальновидны те бюрократы, к сожалению, все чаще встречающиеся в последнее время, которые ограничивают деятельность ученых строго определенными программами.
Возвращаясь к электрон-управляемым протонным насосам, мы должны уяснить для себя их место в молекулярной архитектуре самих микросфер, поскольку их работа зависит от обязательного сопряжения между переносом электронов и выведением протонов. Митчелл высказал простую, но любопытную гипотезу относительно такого сопряжения: он предположил, что электроны поступают в окфос - блоки в в1 ае атомов водорода, поставляемых из митохондрий, а покидают окфос - блоки «обнаженными», сбросив протоны снаружи. Согласно модели Митчелла, микросферы образованы из перемежающихся водород - и электроннесущих сегментов, которые образуют петли в толще мембраны. Если это действительно так, вопрос ясен. Но, спрашивается, какого рода ограничения должна налагать молекулярная анатомия микросфер на поток электронов? Ограничение заключается в том, что электроны проталкиваются по синусоидальному пути, который ведет их попеременно от одной стороны мембраны к другой, причем в одном направлении вместе с протонами, а в другом — без них. На самом деле, механизм гораздо сложнее, чем следует из нашего упрощенного описания; он вклю-чает в себя тонкие физико-химические и конформационные изменения, связанные с прохождением носителей от окисленного состояния к восстановленному. Добавьте все эти требования к перечисленным выше, и перед вами будет весьма сложный, четко работающий механизм. Не забывай-те, что весь он умещается в крошечной «биочастице» толщиной в 0,3-миллионную и шириной в одну миллионную часть дюйма!
Из-за внутренних структурных ограничений митохондриальные окфос-блоки не расходуют энергию зря. Поток электронов и синтез АТФ по необходимости сопряжены; это означает, что скорость потока электронов (а также субстрата и потребления кислорода) автоматически доводится до скорости потребления АТФ. В состоянии покоя используется мало АТФ и, следовательно, потребление пищи и дыхание находятся на низком уровне. Но как только появляется внезапная потребность в АТФ, например у спортсмена, начинающего забег, электронный поток тут же многократно увеличивается, вызывая одновременно пропорциональное увеличение катаболического окисления и потребления кислорода. Этот регуляторный механизм называется дыхательным контролем.
Дыхательный контроль зависит от силы связывания, которая в свою очередь определяется непроницаемостью мембраны для протонов. Любое вещество, способное транспортировать протоны через липидный бислой мембраны (протонный ионофор), тут же вызовет разрушение протонного потенциала и, таким образом, приведет к раскрытию системы. Известны многие такие разъединяющие вещества. Их прототипом служит 2,4-динитрофенол.
Другим способом снятия заряда с мембранного потенциала является внесение в систему положительно заряженного иона, способного проникать через мембрану в митохондрии. Но, для того чтобы это произошло, в мембране должен быть подходящий носитель. В природе существует носитель для ионов кальция, поэтому митохондрии стремятся предохранить свое окружение от ионов кальция. Это важный регуляторный механизм (см. гл. 12). Путь для поступления ионов калия можно создать искусственно, внося валиномицин, плесневый токсин, обладающий свойствами ионофора калия. Заметим, что при этом работа все же производится. Электронный поток поддерживает активный транспорт добавленного катиона внутрь митохондрий в обмен на транспорт протонов наружу.
В заключение необходимо указать, что окфос-блоки субстратного уровня, например такие, какие имеются при гликолизе или в цикле Кребса, работают не за счет протондвижущей силы. Они относятся к чисто химическим преобразователям. Длительное время ученые представляли механизм фосфорилирования на субстратном уровне как связанное с мембраной фосфорилирование на уровне медиаторов, которое имеется в митохондриях, ибо большинство из них искали несуществующие химические посредники.






Термин «митохондрия» восходит к греческому слову mitos, что означает «нить», и chandros — зерно. В нем нашел отражение внешний нитчатый облик митохондрий в некоторых типах клеток. Однако в других клетках митохондрии могут иметь форму прутка, яйца илц шара. Иногда несколько митохондрий образуют причудливые сцепления, которые, как утверждают, могут включать целую митохондриальную популяцию клетки, превращаясь в необычную свернутую спиралью открытую структуру, напоминающую скульптуры Генри Мура. Размеры митохондрий колеблются, но имеют тенденцию к увеличению по мере увеличения ' размеров клетки и составляют 1 мкм и выше. Увеличьте эту «фигуру» в миллион раз, и вы приблизите ее размеры к нашим собственным. В случае удачи, особенно если мы правильно выберем объект исследования (например, в мышечной ткани крыльев синей мясной мухи имеются особенно крупные митохондрии), можно даже втиснуться в них. Однако не следует и думать, что мы сможем проникнуть внутрь целыми и невредимыми. Нам будет необходимо прибегнуть к вивисекции.
Снаружи митохондрия кажется заключенной в тонкую гладкую полупрозрачную оболочку. Через эту внешнюю мембрану просматривается внутренняя — ярко-розовая, испещренная многочисленными глубокими бороздками. Если смотреть изнутри, то структуры, соответствующие этим бороздкам, оказываются гребнями, или кристами (лат. ст/а — гребень), которые образуют ряд непрерывных перегородок с внутренней стороны митохондриального тела. В действительности кристы представляют собой не что иное, как выросты непрерывной, полностью замкнутой внутренней мембраны. Мы можем в этом удостовериться, если прорвем внешнюю мембрану и дадим митохондрии возможность впитать воду, нарушив в некоторой степени осмотический баланс. Она довольно сильно набухнет, но при этом ее внутренняя мембрана останется целой и не развернется. Образование крист (а в некоторых типах клеток они заменены трубчатыми выростами) — это приспособление, позволяющее увеличивать поверхность мембраны без увеличения объема тела. В важности подобного увеличения мы убедимся, когда узнаем, что внутренняя мембрана — истинное сердце силовой установки клетки, ее подлинный генератор энергии; она содержит дыхательную цепь и связанные с ней системы фосфорилирования.
С точки зрения эволюции принято считать, что внутренняя мембрана произошла из плазматической мембраны какого-то предполагаемого древнего бактериального эндосимбионта. Внешняя же мембрана, вероятно, произошла из системы вакуолей древнего предка хозяина-фагоцита. И в самом деле, она обладет некоторым сходством с эндоплазматическим ретикулумом, с которым ее объединяет, например, наличие особого пигмента, цитохрома Ь5.
Хотя наше путешествие в основном касается животных клеток, оно будет не полным, если мы, пусть не надолго, не заглянем в мир растений. Растения относятся к общей группе аутотрофов — буквально это значит «самопитающиеся организмы». Правильнее называть их литотрофами (греч. lithos — камень), но это менее распространенное название. Вместе с тем «пищевые продукты» аутотрофов и в самом деле полностью поступают из мира минералов в виде двуокиси углерода (С02), воды (Н20), нитрата (N05"), сульфата (S042") и подобных неорганических компонентов. В них содержатся необходимые элементы, но в совершенно «некалорийном» виде, не представляющем ценности с энергетической точки зрения. Аутотрофы нуждаются в дополнительном источнике энергии, так как не могут подобно гетеротрофам (органотрофам) черпать энергию из пищи.
В каком виде находится эта энергия? Есть несколько ответов на этот вопрoс, но они все сводятся к одному слову: электроны. То, что электроны необходимы для аутотрофного образа жизни, вытекает из природы их строительных блоков. Чтобы перевести С02, Н20, и другие вещества в углеводы, белки, липиды и другие биологические компоненты, необходим большой приток электронов — практически столько, сколько высвобождается при окислении этих составных частей у гетеротрофов. Что электроны должны иметься в достаточных количествах, можно пред-положить, исходя из наших знаний о гетеротрофах. Если какой-либо организм имеет как минимум один функциональный свободный окфос-блок, он может использовать электроны для выработки АТФ и полностью удовлетворить свою потребность в энергии.
Электроны должны поставляться на достаточно высоком энергетическом уровне. Что касается синтеза АТФ, эти требования варьируют и зависят от уровня, с которого электроны покидают окфос-блок. При этом необходимо только, чтобы они поступали на уровне, превышающем уровень их выхода по крайней мере на 300 мВ (если, как это обычно бывает, они поступают парами). Однако для восстановительного синтеза, при котором электроны чаще всего поступают на уровне, как минимум эквивалентном уровню НАДН, требование более строгое. Причина очевидна: это уровень, с которого большая часть запасаемых электронов падает вниз при катаболизме.
В примитивных системах аутотрофное восстановление происходит при участии НАДН, т. е. с тем же коферментом, что и катаболическое окисление. Гликолиз у животных также протекает по этому пути. Как мы видели в конце , окфос-блоки гликолитической цепи работают на уровне, близком к термодинамическому равновесию, поэтому даже сравнительно небольших изменений концентраций участвующих веществ достаточно, чтобы повлиять на направление потока электронов через блок и вызвать в клетке переключение гликолиза на глюконеогенез.

Добро пожаловать в интересный мир молекул и клеток



Разделы сайта
 Рейтинг@Mail.ru
Календарь обновлений
«    Март 2016    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
 
Архив новостей
Облако тегов
Популярные новости
Наш опрос