БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984
ТОМ 2
ЧАСТЬ II ГЕНЕРИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ГЛАВА 19. ФОТОСИНТЕЗ
19.21. Белок пурпурных мембран галобактерий перекачивает протоны для синтеза АТР
Источником сведений о механизме фотофосфорилирования и окислительного фосфорилирования явились исследования фотосинтетических процессов у галобактерий, у которых имеется светопоглощающая группа, отличная от хлорофилла. Для роста этих бактерий требуются высокие концентрации NaCl, оптимальной является концентрация 4,3 М (обычная морская вода содержит 0,6 М NaCl). Галобактерий обнаруживаются в природных соленых озерах и в водоемах, из которых выпаривают морскую воду для получения соли, как, например, в заливе Сан-Франциско вблизи аэропорта. У этих бактерий имеется клеточная оболочка, состоящая из мембраны, окруженной гликопротеиновой клеточной стенкой. Вальтер Стекениус (Walther Stoeckenius) разделил эту клеточную мембрану на желтую, красную и пурпурную фракции. Желтая фракция состояла главным образом из стенок газовых вакуолей, благодаря которым бактерии достигают нужной им глубины в воде. Красная фракция содержит дыхательную цепь и другие ферментные механизмы для окислительного фосфорилирования, а также защитный красный пигмент, предохраняющий бактерии от летального действия синего света. Пурпурная фракция состоит из белка пурпурных мембран (26 кДа) и сорока связанных с ним липидов. Этот белок называют также бактериородопсином, потому что он, подобно родопсину, зрительному пигменту сетчатки позвоночных (разд. 37.13), содержит в качестве хромофора ретиналъ. Ретиналевая группа присоединена к лизиновой боковой цепи белка протонированной связью шиффова основания.
В присутствии O2 галобактерий синтезируют АТР в ходе окислительного фосфорилирования. При недостатке кислорода они переключаются на фотосинтетический механизм (рис. 19.26). Стекениус и его сотрудники показали, что роль белка пурпурных мембран состоит в перекачке протонов при освещении изнутри клетки наружу. Действительно, белок пурпурных мембран пронизывает насквозь клеточную мембрану (рис. 10.32 в разд. 10.18), чего и следует ожидать для протонного насоса. Пламенноспектроскопические исследования показали, что свет переводит ретиналевую связь шиффова основания из протонированной формы с полосой поглощения при 560 нм в депротонированную с пиком при 412 нм. Этот цикл реакций занимает немногие миллисекунды, и при ярком освещении каждая молекула белка пурпурных мембран может перекачивать несколько coтeH- в секунду. Генерируемая таким образом протонодвижущая сила используется далее АТР-синте- зирующим ансамблем (F0 F1) для фосфорилирования ADP в npocтранственно обособленной области красной мембраны. Комплекс F0-F1 ориентирован таким образом, что его глобулярный F1-компонент обращен внутрь клетки. Тот же самый АТР- синтезирующий ансамбль используется при окислительном фосфорилировании и фотофосфорилировании. Протонодвижущая сила, генерируемая каждым процессом, может также запускать активный транспорт ионов и аминокислот в галобактерии.
Рис. 19.26. Эксперимент, показывающий, что при освещении галобакте- рии могут синтезировать АТР в отсутствие O2
Наличие очищенной фракции пурпурных мембран позволило Стекениусу и Эфроиму Рэкеру осуществить высокоинформативный эксперимент по реконструкции. Они получили синтетические фосфолипидные пузырьки, содержащие белок пурпурных мембран из галобактерий и ATP-синтезирующий комплекс F1-F0 из митохондрий сердца крупного рогатого скота (рис. 19.27). Освещение этих пузырьков приводило к возникновению протонного градиента через мембрану и к генерированию АТР из ADP и Рi. Синтез АТР прекращался при добавлении переносчиков протонов, нарушавших протонный градиент, что говорит о важной роли протонодвижущей силы для этого процесса. Описанные реконструированные пузырьки, содержащие только протонный насос и АТР-синтетазу в замкнутой мембране, непроницаемой для протонов, представляют собою простейшую модельную систему для хемиосмотического преобразования энергии.
Рис. 19.27. Реконструированные мембранные пузырьки, содержащие белок пурпурных мембран и АТР-синтезирующий комплекс митохондрий, образуют АТР при освещении
