Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физики

Подождите немного. Документ загружается.

{ 8.6]

ФИЗИЧЕСКИЕ

АСПЕКТЫ

БИОЭНЕРГЕТИКИ

КЛЕТКИ 291

Поскольку речь

будет

идти только об одноэлектронном

переносе, каждый переносчик может существовать в

двух

формах; окисленной (например, А) и восстановленной

(например,

А"), причем каждая из них может быть

конформационно

отрелаксировавшей или нет. Указанная

выше разность энергий АЕ относится к отрелаксировав-

шим восстановленным формам переносчиков.

Как

мы видели выше, для

того

чтобы одно химическое

превращение энергетически обеспечивало реализацию

другого,

необходимо их осуществление в один элемен-

тарный акт. Элементарным актом химического процесса,

идущего

участием

белковых макромолекул, является

стадия конформационной релаксации (см. § 6.5). Поэтому

мы вправе предположить, что именно в

ходе

этой стадии

реализуется основное изменение энергии переносчика-

трансформатора (переносчик В в нашем примере).

Итак,

исходное состояние системы из

трех

переносчи-

ков:

донора А, трансформатора В и акцептора G — можно

записать в виде А~ВС. Будем условно изображать отрелак-

сировавшие (равновесные) конформации окисленных форм

переносчиков индексом 1, а отрелаксировавшие конфор-

мации

восстановленных форм — индексом 2. Пусть в ис-

ходном состоянии все переносчики конформационно

равновесны:

А; ВА. (I)

Рассмотрим, что должно происходить с переносчиком-

трансформатором при переносе электрона от А к С. Как

было показано в § 7.5, такой перенос происходит по тун-

нельному механизму и

требует

совпадения электронных

уровней соседних переносчиков с точностью до 0,1 эв,

причем разность энергий рассеивается в виде тепла

путем

обычной колебательной релаксации. Таким образом, ус-

ловием переноса электрона от А^ на В

является наличие

у активного центра В

свободного электронного уровня,

лежащего ниже

верхнего

занятого электронного уровня

не более чем на 0,1 эв. После переноса быстро произой-

дет колебательная релаксация центра и близлежащих

групп (см. § 5.4), но вся молекула переносчика^В с вос-

становленным активным центром останется в окисленном

конформационном

состоянии (так же, как молекула

переносчика А с окисленным активным центром — в

10*

292 ТРАНСФОРМАЦИЯ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ [ГЛ. 8

восстановленном конформационном состоянии):

ВГ С,. (II)

результате

переносчик-трансформатор В оказался

в конформационно неравновесном состоянии В

. Это со-

стояние стало неравновесным (механически напряженным)

не потому, что изменилась конформация В, а потому, что

появление лишнего электронного заряда в активном цен-

тре привело к возникновению нового, в принципе кине-

тически доступного конформационного состояния В

с меньшей энергией. Перенос электрона от В

на С

за-

прещен, так как разность энергий

соответствующих

электронных уровней значительно превышает 0,1 эв.

Медленная конформационная релаксация В

—У

долж-

на

привести к совпадению внешнего занятого электрон-

ного уровня активного центра В

с низшим свободным

уровнем С

с точностью до примерно 0,1 эв.

Естественно предположить, что за это время

успеет

произойти и конформационная релаксация А

-> А

(по-

скольку А и С не являются по предположению трансфор-

маторами энергии, процессы их конформационной релак-

сации

должны сопровождаться значительно меньшими

изменениями

энергии и пока не

будут

нас интересовать).

Итак,

следующее

состояние

трех

переносчиков можно

записать в виде

В! С,. (III)

Как

и исходное, это состояние является конформационно

равновесным,

хотя

конформация переносчика-трансфор-

матора претерпела резкие изменения.

Соответствующие электронные уровни В

и С

теперь

совпадают с точностью, достаточной для туннельного

осуществления переноса; последний происходит

доста-

точно быстро и переводит систему в состояние

СГ, (IV)

которое снова является конформационно неравновесным

должно медленно релаксировать в конечное равновесное

состояние

Ах В

С". (V)

8.6]

ФИЗИЧЕСКИЕ

АСПЕКТЫ

БИОЭНЕРГЕТИКИ

КЛЕТКИ

293

Итак,

произошел перенос электрона от донора к акцеп-

тору,

а переносчик-трансформатор претерпел цикличе-

ское окислительно-восстановительное и конформационное

изменение.

Весь

процесс можно схематически изобразить

следующим образом:

быстро

медленно быстро

А-ВААВГСABC

(а)

(б) <в)

медленно

->AiBjCT

>А

С;.

(8.39)

(г)

Восстановление и окисление активного центра перенос-

чика-трансформатора В происходит на быстро протекаю-

щих стадиях айв. Исходные состояния переносчика В

на

этих стадиях конформационно равновесны, а в

ходе

самих стадий

могут

реализоваться лишь небольшие из-

менения

энергии системы, обязательно рассеивающиеся

виде тепла. Большие изменения энергии, которые

принципе

могут

использоваться для обеспечения какого-

либо параллельного химического процесса, осуществля-

ются лишь на медленной релаксационной стадии. В тече-

ние

ряда лет в

литературе

велась ожесточенная дискуссия

по

вопросу о том, на какой стадии используется энергия

электронного

переноса — на стадии окисления или вос-

становления

переносчика-трансформатора. Мы видим, что

сама постановка вопроса лишена смысла: утилизация

энергии

может происходить только в

ходе

конформаци-

онной

релаксации переносчика, которая вообще не явля-

ется окислительно-восстановительным процессом.

На

рис. 8.7 схематически изображены изменения пол-

ной

энергии системы ABG и отдельных переносчиков на

стадиях процесса (8.39). Поскольку для дальнейших рас-

суждений важны лишь относительные изменения энергии,

то чисто условно уровни полных энергий отдельных пере-

носчиков

в исходном состоянии совмещены

друг

другом

с уровнем полной энергии всей системы. На стадии а

энергия

акцептора С, естественно, остается без измене-

ний

*). Энергия донора А должна на этой стадии повы-

шаться на величину, практически равную потенциалу

Пока

мембрана не рассматривается и переносчики можно

считать

невзаимодействующими.

294 ТРАНСФОРМАЦИЯ

ЭНЕРГИИ

В КЛЕТКЕ [ГЛ. 8

ионизации

за вычетом быстро диссипирующей в тепло

энергии,

освобождающейся при релаксации активного

центра А и его ближайшего окружения (см. гл. 5 и 6).

Энергия

переносчика-трансформатора В понижается

(сродство В

к электрону и быстрая релаксация). Можно

постулировать (это не обязательно), что изменение

энер-

гии

В на этой стадии больше по абсолютной величине из-

менения

энергии уровня А

и, следовательно, энергия

\..

Рис.

8.7. Схема изменений полной энергии системы ABC (сплош-

ные линии) и полных энергий переносчиков А (штрих-пунктир),

В (точечный пунктир) и С (обычный пунктир) на отдельных стадиях

процесса (8.39).

всей системы на стадии а должна слегка уменьшаться.

На

стадии б уровень Gj снова остается без изменений,

уровень А незначительно понижается вследствие конфор-

мационной

релаксации А

-> А

а энергия переносчика-

трансформатора В резко уменьшается в

результате

мед-

ленной

конформационной релаксации В

—v B

. Способ-

ность к такому понижению энергии и есть отличительная

характеристика трансформатора. В

ходе

этой релаксации

электронный

уровень

*) активного центра В

сближается

(с

точностью примерно до 0,1 эе) с незанятым электрон-

ным

уровнем активного центра акцептора С

результате

*) Здесь

следует

четко различать электронные уровни и при-

веденные на

схеме

уровни полной энергии переносчиков.

8.6]

ФИЗИЧЕСКИЕ

АСПЕКТЫ

БИОЭНЕРГЕТИКИ

КЛЕТКИ 295

чего

может произойти перенос электрона на С

с образо-

ванием неравновесных (из-за медленности конформацион-

ных релаксаций) состояний В

и С7 (стадия в). Уровень А

при

этом не меняется, энергия В повышается до величины,

превосходящей энергию исходного конформационно рав-

новесного состояния В

, а энергия акцептора С испыты-

вает

резкое понижение, главным образом в связи с высоким

сродством С

к электрону (собственно, различие в элек-

тронных

сродствах

и С

или в потенциалах ионизации

AJ и

СГ

И есть источник энергии всего процесса).

Во время медленной стадии г переносчики В и С ре-

лаксируют к своим соответствующим равновесным кон-

формациям.

результате

всего процесса донор А передал

электрон акцептору С, причем оба они пришли в соответ-

ствующие

конформационно равновесные состояния, а пе-

реносчик-трансформатор В, испытав полный цикл окис-

лительно-восстановительных и конформационных пре-

вращений, вернулся в исходное состояние.

В рамках этой

схемы

первичным макроэргом является

переносчик-трансформатор в состоянии В^~, т. е. с восста-

новленным активным центром и

исходной,

но ставшей

неравновесной окисленной конформацией. Во время кон-

формационной

релаксации трансформатора на стадии б

может утилизироваться энергия этого первичного макро-

эрга.

Как

это может произойти? Один из возможных кон-

кретных механизмов (ни в коем

случае

не доказанный!)

был предложен в [115]. Достаточно обосновано мнение,

что в пункте сопряжения

существует

лабильный комплекс

между

переносчиком-трансформатором и активным цен-

тром фермента сопряжения, в состав которого, возможно,

входит

аденин связанной АДФ.

Конформационная

релаксация В^ -vB^ влияет не

только на электронный уровень В, но и на акцепторный

уровень аденина, так что в течение значительной части

времени релаксации эти два уровня практически (с точ-

ностью до 0,1 эв) совпадают. В этих условиях квантово-

механический резонанс приводит к динамической делока-

лизации электрона [117]. Поэтому во время медленного

адиабатического прохождения электронных уровней

трансформатора и аденина

друг

относительно

друга

296 ТРАНСФОРМАЦИЯ

ЭНЕРГИИ

В КЛЕТКЕ [ГЛ. 8

избыточная электронная плотность В~ распространяется

на

аденин. Повышение электронной плотности на адени-

новом кольце (его восстановление) сопровождается резким

повышением основности аминогруппы аденина, прибли-

жающейся к значению, характерному для алифатических

аминов [118]:

NH,

Здесь справа изображена восстановленная анион-ради-

кальная форма аденинового остатка, NH

-rpynna которого

обладает

повышенной основностью и легко

образует

связь

с любой электрофильной группой. В работе [118] в каче-

стве

примера такой группы был рассмотрен неорганиче-

ский

фосфат и ковалентное присоединение фосфата к ами-

ногруппе аденина считалось первой стадией образования

АТФ. В принципе

схемы

подобного типа

согласуются

с данными Каюшина с сотрудниками [119] о появлении

радикальных форм при ферментативном гидролизе АТФ

с результатами [120], согласно которым гидрированные

(восстановленные) молекулы АДФ

могут

образовывать

связь с фосфатом.

Вряд ли, однако, фосфат непосредственно

участвует

в образовании первичного химического макроэрга [25].

В качестве одной из рабочих гипотез можно принять кар-

боксильную

схему,

предложенную в

работах

[121, 122].

Повышение электронной плотности на адениновом кольце

увеличение основности аминогруппы приводят к обра-

зованию амидной связи с одной из карбоксильных групп

фермента сопряжения:

NH-C—Ф

8.6]

ФИЗИЧЕСКИЕ

АСПЕКТЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ КЛЕТКИ 297

Для такого состояния аденинового кольца гидролиз этой

амидной связи характеризуется низкой свободной энер-

гией гидролиза, и сама связь не является поэтому макро-

эргической. Конформационная релаксация переносчика-

трансформатора В, однако, продолжается, и его электрон-

ный

уровень оказывается ниже, чем у аденина. Проис-

ходит

перекачивание электронной плотности с аденина

обратно на активный центр В, аминогруппа снова стано-

вится ароматической, а уже образовавшаяся амидная

связь — макроэргической:

NH ~ С-Ф

Ч/\/

Таким образом,

«разрядка»

первичного

«механического»

микроэрга Bi и образование первичного

«химического»

макроэрга происходят за время одного элементарного

акта — конформационной релаксации переносчика-транс-

форматора, и оба процесса

могут

поэтому реализоваться

без значительной диссипации энергии.

Следует

подчеркнуть

следующее

обстоятельство. Элек-

тронный уровень трансформатора в течение всего времени

релаксации В^

—»-В7

остается основным, т. е. низшим

занятым электронным уровнем для данной мгновенной

конформации

переносчика. Это исключает возможность

диссипации энергии за

счет

внутримолекулярного

излуча-

тельного или безызлучательного электронного

перехода.

До сих пор мы рассматривали систему переносчиков

ABG изолированно от мембраны. Однако эти переносчики

сопрягающий фермент встроены в липопротеиновую

мембрану, состояние которой кооперативно зависит от

состояния его компонент. Релаксация неравновесной

конформации

переносчика в пункте сопряжения сопро-

вождается образованием химической макроэргической свя-

зи

в сопрягающем ферменте

(будем

условно называть его

АТФ-синтетазой), что в свою очередь приводит к изме-

нению конформации этого белка. Новая конформация

298 ТРАНСФОРМАЦИЯ

ЭНЕРГИИ

В КЛЕТКЕ [ГЛ. 8

АТФ-синтетазы вызывает соответствующий релаксацион-

ный

процесс целого

участка

мембраны, новая конформа-

ция

которого определяется в конечном

счете

состоянием

переносчиков

и образовавшимися первичными макро-

эргическими

связями. Эта новая равновесная конформа-

ция

мембраны, по-видимому, эквивалентна энергизован-

ной

конформации Грина [123]. Наблюдаемый в экспери-

менте

переход

мембраны в состояние, характеризующееся

повышенной

растворимостью в ней гидрофобного парамаг-

нитного

зонда [76]

другой

интенсивностью флуоресцен-

ции

зонда [124] и т. д.,

отражает

именно процесс релак-

сации

в новое равновесное состояние целого

участка

1* j 2 ' 2

АДФ + Ф

АТФ

Рис.

8.8. Последовательность процессов в пункте сопряжения при

мембранном

фосфорилировании.

мембраны после образования первичного химического

макроэрга; следовательно,

переход

мембраны в энерги-

зованную конформацию Грина есть вторичный процесс

соответственно его характеристическое время больше,

чем время релаксации сопряженного переносчика [46].

Важно подчеркнуть, что энергизованная конформация

мембраны существенно равновесна. Ее конформационная

энергия

равна нулю, и в этом смысле она, собственно, не

энергизована.

Однако такая конформация реализуется

лишь

при наличии макроэргических связей в АТФ-син-

тетазе, и можно сказать, что мембрана химически

энер-

гизована. Ее энергия может использоваться в после-

дующих

ферментативных кислотно-основных реакциях

синтеза АТФ, а также для

других

эндэргонических

процессов.

Таким

образом, в каждом пункте сопряжения осуще-

ствляются процессы, схематически изображенные на

рис.

8.8.

BiSM

— исходное состояние переносчика-

трансформатора В, АТФ-синтетазы S и мембраны М.

результате

присоединения электрона (быстрая стадия 1)

конформация

переносчика не меняется, но становится

неравновесной

и медленно релаксирует к равновесному

состоянию В

, причем одновременно в активном центре

8.6]

ФИЗИЧЕСКИЕ

АСПЕКТЫ

БИОЭНЕРГЕТИКИ

КЛЕТКИ 299

АТФ-синтетазы образуется первичная химическая макро-

эргическая связь (стадия 2). Электрон быстро переносится

на

следующий акцептор (стадия 3), а мембрана, которая

стала неравновесна в

результате

изменения АТФ-синте-

тазы, релаксирует к новой равновесной

структуре

М*

(стадия 4). В состоянии B

S ~ M* переносчик-трансфор-

матор не может присоединить электрон от донора (соответ-

ствующие уровни существенно не совпадают, см. рис. 8.7),

а измененная

структура

мембраны затрудняет релаксацию

Вг-^Bj.

В отсутствие акцепторов энергии (например,

АДФ) состояние B

S ~ M* весьма медленно [125] релак-

сирует с выделением тепла в исходное состояние

(дыхательный контроль). Фосфорилирование АДФ сни-

мает химическое напряжение (S ~ -+S) и ускоряет ре-

лаксацию, замыкающую цикл (стадия 5).

Благодаря кооперативным свойствам мембраны состоя-

ния

отдельных переносчиков и времена их релаксацион-

ных изменений взаимозависимы. Исходное состояние пере-

носчика-трансформатора перед рабочим ходом (стадия б

на

рис. 8.7) существенно неравновесно, а перепад энергии

при

его релаксации определяется не только его собствен-

ными

характеристиками, но и состоянием целых участков

мембраны, которое в свою очередь зависит от ситуации

других

пунктах сопряжения данной ЦЭТ, а может

быть, и

других

ЦЭТ. По-видимому, за счет процессов

такого типа может осуществляться регуляция элек-

тронного транспорта и трансформации энергии в мем-

бранах. Вероятно, эта регуляция автоматически приводит

тому,

что в правильно работающей фосфорилирующей

мембране перепад энергии при релаксационном переходе

->•

каждого переносчика-трансформатора к моменту

его восстановления становится равным или превышает

величину, необходимую для синтеза одной молекулы

АТФ. Стехиометрия процесса (прохождение

двух

элек-

тронов через пункт сопряжения приводит к синтезу одной

молекулы АТФ) выполняется лишь в среднем. Перенос

одного электрона через всю ЦЭТ митохондрий от НАД-Н

до О

приводит к образованию либо одной, либо

двух

молекул АТФ (в среднем 1,5) в зависимости от мгновен-

ного состояния ЦЭТ. В ситуации, когда конформации

переносчиков и положения их электронных уровней су-

щественно неравновесны, бессмысленно пользоваться

300 ТРАНСФОРМАЦИЯ

ЭНЕРГИИ

В КЛЕТКЕ [ГЛ. 8

обычными термодинамическими функциями и, в частности,

окислительно-восстановительными потенциалами. Скорости

отдельных стадий цикла (см. рис. 8.8) и, следовательно,

отношения концентраций окисленных и восстановленных

форм переносчиков

могут

сильно зависеть от состояния

мембраны. Поэтому не удивительно отмеченное выше пара-

доксальное расхождение

между

результатами импульс-

ных и стационарных экспериментов с ЦЭТ митохондрий

(см.

гл. 7).

Релаксация к равновесию возможна не только путем

изменения

конформации макромолекулы, но и путем изме-

нения

ее поверхностного заряда. Можно сказать, что воз-

никающая после первичного акта (перенос электрона для

молекулы, образование химического макроэрга для мем-

браны) конформация неравновесна не только геометри-

чески, но и электрически. Если возможно достаточно

быстрое изменение поверхностного заряда, то релаксация

равновесию возможна и без значительного изменения

геометрии. Можно предположить, что на этом основано

действие многих разобщителей. Как мы видели, в хеми-

осмотической концепции разобщающее действие многих

соединений связывалось с их способностью катализиро-

вать перенос ионов водорода через мембрану с последую-

щей нейтрализацией ее электрического поля. Если дей-

ствительно разобщители способны осуществлять быструю

электрическую релаксацию переносчиков-трансформато-

ров и мембраны в целом, то соответствующие электронные

уровни

будут

снижаться настолько быстро, что химиче-

ские макроэрги не успеют образоваться, а время пере-

носа электронов через пункт сопряжения резко умень-

шится.

Мы видели, что это действительно происходит

(см.

§ 7.3).

Рассмотренные здесь физические основы механизма

мембранного фосфорилирования согласуются также с ре-

зультатами работы [126], где показано, что не

существует

общего для

всех

пунктов сопряжения промежуточного

химического макроэрга.

В работе [127] обсуждается возможная роль мембран-

ного потенциала в регуляции электронного транспорта и

мембранного фосфорилирования.

В заключение

следует

еще раз подчеркнуть, что кон-

кретные детали рассмотренных здесь механизмов (напри-