Рассказы о биоэнергетике

В 1961 году было неясно, выполняет ли протонный потенциал такую функцию и существует ли он вообще. Биоэнергетикам потребовалось около десяти лет, чтобы ответить на эти два вопроса. Ответ, оказавшийся положительным, повлек за собой новый вопрос: ограничивается ли роль протонного потенциала его участием в дыхательном и фотосинтетическом фосфорилировании?

Вскоре стало очевидным, что протонный потенциал используется не только при синтезе АТФ, но и при обратном переносе электронов по дыхательной цепи. Затем у одной из бактерий обнаружили образование неорганического пирофосфата из двух молекул фосфорной кислоты за счет энергии протонного потенциала. Тем самым было показано, что синтез АТФ главный, но не единственный вид химической работы, производимой протонным потенциалом.

Шли годы, приносившие все новые сведения о биологической роли протонного потенциала. По существу, в биоэнергетике началась переоценка ценностей: старые, давно известные энергетические процессы заново исследовали на предмет их отношения к вновь открытому компоненту — протонному потенциалу.

Прежде всего, конечно, рассмотрели явления, так или иначе связанные с мембранами. И тут оказалось, что множество процессов осмотической работы по концентрированию веществ «оплачиваются» протонным потенциалом. Большое количество самых разнообразных веществ поступает в бактериальную клетку, двигаясь под действием электрического поля или разности концентраций ионов Н+.

Все известные сегодня процессы переноса веществ через мембрану митохондрий происходят за счет протонного потенциала. Треть всей энергии, потребляемой митохондриями для синтеза АТФ, так сказать на экспорт, для немитохондриальных частей клетки, идет не на реакцию образования АТФ как таковую, а на концентрирование АДФ и фосфата внутри митохондрий и откачку синтезированного АТФ из митохондрий в цитоплазму. Движущей силой этих транспортных процессов служит протонный потенциал. Он же поддерживает концентрирование в митохондриях карбоновых кислот, окисляемых при дыхании.

Даже такая специфическая функция, как образование дополнительных количеств тепла при охлаждении теплокровных животных, и та оказалась связанной с использованием протонного потенциала. Это терморегуляторное разобщение дыхания и синтеза АТФ, явление, о котором мы уже говорили, когда речь шла о мышцах стриженых голубей и буром жире хомяка.

С открытием движения бактерий за счет протонного потенциала пала последняя «монополия» АТФ, считавшегося единственной валютой, способной оплатить механическую работу клетки.

Итак, протонный потенциал может совершать различные виды химической, осмотической, механической работы, а также служит источником образования тепла. Если учесть, что первичная форма протонного потенциала - это разность электрических потенциалов на мембране, то мы вправе сделать следующий вывод: протонный потенциал наряду с АТФ есть конвертируемая форма энергии в живой клетке.

Действительно, протонный потенциал, как и АТФ, образуется несколькими путями в реакциях утилизации внешних энергетических ресурсов. Затем он используется по целому ряду каналов, совершая, подобно АТФ, все основные виды работы, характерные для живой системы.

Сравним для примера роль АТФ и протонного потенциала в энергетике клетки млекопитающего животного. Здесь есть четыре ферментные системы, образующие АТФ (главная среди них - протонная АТФ-синтетаза митохондрий) и три системы, генерирующие протонный потенциал (цитохромоксидаза и другие белки — генераторы, включенные в дыхательную цепь).

Образованный АТФ используется затем главным образом для синтеза биополимеров и их составных частей, а также для транспорта некоторых веществ (в основном через внешнюю мембрану клетки) и энергообеспечения механохимических (сократительных) систем клетки.

Протонный потенциал питает митохондриальную АТФ-синтетазу, поддерживает транспорт АТФ, АДФ, фосфата и карбоновых кислот через мембрану митохондрии. Кроме того, он разворачивает вспять определенные окислительные реакции, которые становятся в результате не потребителями, а поставщиками водорода, используемого затем во многих восстановительных синтезах. Если добавить к этому процессы транспорта ионов кальция и некоторых других веществ в митохондрии, а также расход протонного потенциала на образование тепла, то окажется, что не более половины энергии, превращенной в протонный потенциал, используется АТФ-синтетазой. Поэтому функция промежуточного продукта в АТФ-синтетазной реакции — это лишь половина дела, которое в действительности делает протонный потенциал.

Еще разнообразней пути использования протонного потенциала у бактерий. Здесь и механическая работа по вращению жгутиков, и транспорт широкого круга веществ — от ионов калия до ДНК, и синтез пирофосфата.

Так от исходной концепции Митчела, рассматривавшего протонный потенциал всего лишь как связующее звено между дыханием и фосфорилированием, мы пришли к ситуации, когда необходимо изменить «добрую старую» Липманову схему с ее постулатом об АТФ как единственной конвертируемой форме энергии в организме. Оказалось, что живая клетка располагает не одной, а двумя «валютами» для оплаты своих энергетических потребностей. Одна из них химическая, удобная для использования в водной фазе клетки. Это АТФ — вещество, отлично растворимое в воде, но крайне неподходящее для работы внутри мембран из-за нерастворимости в жиру. Другая «валюта» электрохимическая, неразрывно связанная с гидрофобной, мембранной, фазой той же клетки. Это протонный потенциал.

Сейчас уже трудно сказать, когда клетка завела себе такую «двойную бухгалтерию», оплачивая одни свои функции аденозинтрифосфатом, а другие - протонным потенциалом. Ясно лишь, что это случилось очень давно и такая двойственность характерна для всех ныне живущих организмов.

Это верно и для форм жизни, никогда не использующих протонный потенциал как сопрягающий фактор в том смысле, который первоначально предполагал Митчел. Были описаны анаэробные бактерии, синтезирующие АТФ единственным способом — за счет брожения. Протонный потенциал для этого не нужен. И тем не менее он образуется на мембране бактерий путем расщепления АТФ протонной АТФазой. Образовавшись, протонный потенциал используется затем для совершения, например, осмотической работы.

Зачем клетка обменивает натрий на калий?

Мысль о двух формах конвертируемой энергии я высказал в 1975 году. Спустя два года эта точка зрения была поддержана Митчелом. А в группе А. Глаголева тем временем начались опыты по проверке одного из предсказаний этой новой концепции.

Я рассуждал следующим образом. Если протонный потенциал — разменная монета, то клетка должна располагать достаточным количеством, таких «денежных знаков».

Зачем клетка обменивает натрий на калий?

Это требование выполнялось, если речь шла об АТФ. Клетка всегда содержит довольно большие количества АТФ, причем приняты меры для стабилизации этого количества в условиях меняющейся конъюнктуры - непрерывно варьирующих скоростей образования и использования АТФ. Есть особое вещество — креатин-фосфат, участвующее только в одной реакции — фосфорилировании АДФ:

АДФ + креатинфосфат ⇔ АТФ + креатин.

Когда АТФ в избытке, а АДФ в дефиците, реакция идет справа налево и накапливается креатинфосфат, которого в этих условиях становится много больше, чем АТФ. Но стоит повыситься уровню АДФ и уменьшиться АТФ, как реакция меняет направление, и креатинфосфат оказывается поставщиком АТФ. Тем самым креатинфосфат выполняет свою функцию стабилизатора, буфера уровня АТФ.

А как обстоят дела с протонным потенциалом?

Несложный расчет позволяет перевести одну энергетическую «валюту» в другую. Этот расчет показывает, что количество энергии, накопленное, к примеру, бактериальной клеткой в виде протонного потенциала, оказывается почти в тысячу раз меньшим, чем количество АТФ, если протонный потенциал находится в электрической форме. Это количество одного порядка с числом генераторов и потребителей потенциала в бактериальной мембране.