Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Специальные разделы >> Биофизика | Обзорные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение

Молекулярные моторы
Часть 1. Вращающиеся моторы живой клетки
А. Н. ТИХОНОВ
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Все ферменты красивы, но АТРсинтаза является одним из самых красивых, а также самых необычных и важных.
All enzymes are beautiful, but the ATP synthase is one of the most beautiful as well as one of the most unusual and important.
Boyer P.D. The АТР synthase - a splendid molecular machine // Ann. Rev. Biochem. 1997. Vol. 66. P.љ717-749.

ВВЕДЕНИЕ
Эпиграфом к статье взяты слова Поля Бойера, выдающегося американского биохимика, внесшего решающий вклад в выяснение ферментативных механизмов образования аденозинтрифосфата (АТР) из аденозиндифосфата (ADP) и неорганического фосфата. Молекула АТР является универсальным источником энергии для большинства многочисленных биохимических, механохимических и транспортных процессов, которые протекают внутри живой клетки. Неудивительно поэтому, что АТРсинтаза - основной фермент, катализирующий образование АТР, - назван П. Бойером одним из самых важных ферментов. В чем заключаются красота и необычность этого фермента? АТРсинтаза представляет собой великолепную молекулярную машину, доведенную природой до высшей степени совершенства. Подобно тому как в каждой совершенной машине наивысшие технические показатели сочетаются с ее изящными формами, в АТРсинтазе - молекулярной машине живой клетки - высочайшая эффективность работы сочетается с поразительной красотой ее структурной организации. Необычность АТРсинтазы состоит в том, что она работает как вращающаяся машина, подобно электромотору, крутящемуся при пропускании электрического тока через его обмотку. Однако в отличие от электромоторов, используемых в технике, ротор АТРсинтазы приводится во вращение при прохождении через нее электрического тока, создаваемого не движением электронов, а потоком протонов.
Бактерии плавают за счет вращения жгутиков, которые приводятся в движение так называемым флагеллярным мотором (от лат. flagellum - жгутик). До недавнего времени считалось, что флагеллярные моторы являются самыми миниатюрными вращающимися моторами [1, 2]. Однако в последнее время было доказано, что самым маленьким из всех известных в природе вращающихся моторов является протонная АТРсинтаза. Несмотря на различие в строении и назначении протонных АТРсинтаз и флагеллярных моторов (первые совершают химическую, а вторые выполняют механическую работу), они имеют два общих свойства. Эти моторы содержат вращающиеся детали, а в качестве топлива используют энергию, запасаемую в виде разности электрохимических потенциалов ионов водорода на мембране [1-4].

АТРсинтаза - САМЫЙ МАЛЕНЬКИЙ МОТОР В ПРИРОДЕ

Протонные АТРсинтазы (общая характеристика)
АТРсинтаза является макромолекулярным комплексом, катализирующим синтез и гидролиз молекул АТР в энергопреобразующих мембранах клеток растений, животных и бактерий [1-4]. Расположение ATPсинтазы в мембранах хлоропластов и митохондрий схематически показано на рис. 1. Мембранная часть АТРсинтазы, называемая фактором сопряжения F0 , представляет собой гидрофобный (нерастворимый в воде) белковый комплекс. Второй крупный фрагмент ATPсинтазы - фактор сопряжения F1 - заметно выступает из мембраны в виде сферического образования. В хлоропластах - энергопреобразующих органеллах растительной клетки - АТРсинтаза встроена в мембраны тилакоидов (на рис. 1 они схематически изображены в виде замкнутых пузырьков), при этом фактор сопряжения F1 ориентирован во внешнюю сторону. В митохондриях - энергетических "фабриках" животной клетки - АТРсинтаза встроена во внутреннюю мембрану, а комплекс F1 обращен в сторону матрикса (внутренняя часть митохондрии). Образование АТР из ADP и неорганического фосфата (Pi) происходит в каталитических центрах АТРсинтазы, расположенных в комплексе F1 [3]. Белковый комплекс F1 можно сравнительно легко отделить от мембраны, при этом он сохраняет способность катализировать гидролиз ATP. Однако изолированный фактор сопряжения F1 не способен синтезировать ATP. Способность синтезировать ATP - это свойство единого комплекса F0F1 , встроенного в энергопреобразующую мембрану. Связано это с тем, что работа АТРсинтазы в режиме синтеза АТР сопряжена с переносом через нее протонов, путь которых пролегает через F0 и направлен в сторону F1 (рис. 1, а). Такой направленный перенос протонов возможен только в том случае, если АТРсинтаза встроена в мембрану замкнутых энергопреобразующих органелл (хлоропласты и митохондрии) или в плазматическую мембрану бактериальной клетки.

 

Рис. 1. Расположение протонных АТРсинтаз в мембранах хлоропластов и митохондрий. Голубые участки соответствуют областям с повышенным протонным потенциалом (кислотные резервуары), Участки песочного цвета - области с пониженным протонным потенциалом (щелочные резервуары). Внизу показано направление переноса ионов водорода через мембрану в режимах синтеза (а) и гидролиза (б ) молекул АТР

Движущей силой для работы большинства АТРсинтаз является протонный потенциал, создаваемый на мембране в результате работы цепи электронного транспорта [1-4]. Реакции фотосинтетического переноса электронов в хлоропластах сопровождаются транспортом протонов внутрь тилакоидов, в результате чего концентрация ионов водорода внутри тилакоидов становится существенно выше, чем снаружи. В митохондриях работа дыхательной цепи сопровождается переносом ионов водорода в противоположном направлении: протоны выходят из матрикса наружу, в результате этого электрический потенциал со стороны матрикса понижается. За счет разности протонных потенциалов по обе стороны мембраны возникает поток ионов водорода через АТРсинтазу (рис. 1, а), который и обеспечивает ее работу по синтезу АТР. В хлоропластах синтез АТР сопряжен с переносом ионов водорода из кислотного внутритилакоидного объема в щелочной внешний объем (в строму - пространство между тилакоидами и оболочкой хлоропласта); в митохондриях работа АТРсинтазы связана с потоком протонов, направленным внутрь матрикса (рис. 1). Протонпроводящий канал, по которому ионы водорода из области с высоким протонным потенциалом подводятся к определенным функциональным группам АТРсинтазы, а затем выходят в область с низким протонным потенциалом, расположен в мембранном фрагменте АТРсинтазы (комплекс F0).
АТРсинтаза - это обратимая молекулярная машина, которая способна катализировать как синтез, так и гидролиз АТР. В режиме синтеза АТР работа АТРсинтазы обеспечивается за счет энергии ионов водорода, переносимых через нее под действием трансмембранной разности протонных потенциалов (рис. 1, а).

Рис. 2. Схема строения АТРсинтазы. Комплексы F1 и F0 всех изученных протонных АТРсинтаз бактерий, цианобактерий и хлоропластов высших растений имеют одинаковый состав белковых субъединиц ()3 и abc9-12 соответственно. У АТРсинтазы митохондрий животных мембранный комплекс F0 наряду субъединицами a, b и c содержит шесть дополнительных белковых субъединиц (d, e, f, g, F6 и А6L), а F1 дополнительно включает в себя два небольших белка (OSCP и специальный регуляторный белок-ингибитор). Внизу показан контурный профиль F0F1 комплекса, в котором синим цветом выделены субъединицы статора, а красным цветом - субъединицы ротора

В то же время АТРсинтаза может работать как протонная помпа - за счет энергии, выделяющейся при гидролизе АТР, она может перекачивать ионы водорода в противоположном направлении, из области с низким протонным потенциалом в область с высоким протонным потенциалом (рис. 1, б ).

Строение АТРсинтазы
Состав и пространственное строение комплекса F1 хорошо изучены. Методом рентгеноструктурного анализа получена картина пространственного расположения атомов (с разрешением 2,8 Б) в комплексе F1 , выделенном из митохондрий сердца быка. Ориентированный в водную фазу комплекс F1 (рис. 2) состоит из девяти субъединиц пяти типов (3, 3, , и )3. Полипептидные цепи субъединиц и уложены в похожие по строению белковые глобулы, которые все вместе образуют гексамер - ансамбль, состоящий из шести субъединиц (три одинаковые субъединицы и три одинаковые субъединицы ). Этот ансамбль имеет вид слегка приплюснутого шара высотой 8 нм и шириной 10 нм. В центре шара находится субъединица, которая образована двумя протяженными полипептидными цепями и напоминает слегка деформированный изогнутый стержень длиной около 9 нм. Нижняя часть субъединицы выступает из шара на 3 нм в сторону мембранного комплекса F0 . Субъединица d расположена на внешней стороне F1 . Внутри ансамбля ()3 находится минорная субъединица , которая связана с субъединицей . Обе эти субъединицы (и ) подвижны - они входят в состав своеобразного ротора, который вращается внутри неподвижного комплекса ()3 .
За решающий вклад в расшифровку пространственной структуры белкового комплекса F1 английский исследователь Джеймс Уокер в 1997 году был удостоен Нобелевской премии по химии. Свою часть премии он разделил с американским биохимиком Полем Бойером, который в течение последних 45 лет плодотворно занимался выяснением биохимических механизмов образования АТР из ADP и неорганического фосфата.
Мембранный комплекс F0 служит основанием, которое удерживает АТРсинтазу в мембране. Этот комплекс включает в себя протонный канал, по которому ионы водорода переносятся через АТРсинтазу. Пространственная структура F0 расшифрована не столь детально, как строение водорастворимого комплекса F1 . Среди изученных мембранных комплексов F0 различного происхождения наиболее простой состав имеет F0 из бактерии Escherichia coli, который состоит из полипептидных субъединиц трех типов (рис. 2). У E. coli в комплекс F0 входят одна белковая субъединица типа a, две копии субъединицы b, имеющие молекулярные массы 20 и 30 кДа соответственно, а также сравнительно большое количество (n = 9-12) идентичных копий более мелкой субъединицы c (молекулярная масса 6-11 кДа).
Субъединица а гидрофобна, она почти полностью погружена в мембрану. Ее полипептидная цепь образует шесть -спиральных участков, которые пересекают мембрану. Субъединица b содержит лишь один сравнительно короткий -спиральный участок, погруженный в мембрану. Остальная часть субъединицы b заметно выступает из мембраны в сторону комплекса F1 и закрепляется за расположенную на его поверхности субъединицу (рис. 2). Каждая из 9-12 копий субъединицы с (точное число их пока неизвестно) представляет собой сравнительно небольшой белок, состоящий из двух гидрофобных -спиралей, соединенных друг с другом короткой гидрофильной петлей, ориентированной в сторону F1 . Субъединицы с образуют единый ансамбль, имеющий форму цилиндра, погруженного в мембрану. Выступающая из комплекса F1 в сторону F0 субъединица , по-видимому, погружена внутрь этого цилиндра и достаточно прочно зацеплена за него. На снимках АТРсинтазы, полученных недавно Уилкенсом и Капальди с помощью электронного микроскопа, видно, что два крупных белковых фрагмента АТРсинтазы (F0 и F1) соединены друг с другом двумя сравнительно тонкими перемычками. Одна из них расположена сбоку и представляет собой неподвижный "кронштейн" (субъединицы b), соединяющий F0 и F1 ; другая "ножка", расположенная в центре АТРсинтазы, является подвижной субъединицей ротора.

Далее...


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования