Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985
Биоэнергетика и метаболизм
Перенос электронов, окислительное фосфорилирование и регуляция синтеза АТР
Фермент, катализирующий синтез АТР, был выделен и реконструирован
Познакомимся теперь с АТР-синтезирующей ферментной системой, встроенной во внутреннюю мембрану митохондрий. Этот ферментный комплекс, получивший название АТР-синтетазы или F0F1-АТРазы, состоит из двух главных компонентов: F0 и F1 (F от англ. «factor»). Компонент F1 напоминает по форме круглую дверную ручку, обращенную в сторону матрикса митохондрии, или шляпку гриба (вследствие чего эти образования называют также грибовидными выростами; рис. 17-2 и 17-15). «Шляпка», чаще называемая головкой, с помощью ножки прикреплена к компоненту F0, который встроен во внутреннюю мембрану и пронизывает ее насквозь (индекс «о» - это не нуль, а буква «о», указывающая на то. что эта часть молекулы АТР-синтетазы связывает токсичный антибиотик олигомицин - мощный ингибитор этого фермента, а следовательно, также и ингибитор окислительного фосфорилирования).
Первым выделили F1 в очищенном виде из внутренней митохондриальной мембраны Эфраим Рэккер с сотрудниками. В изолированном виде компонент F1 не обладает способностью синтезировать АТР из ADP и фосфата, но может расщеплять АТР на ADP и фосфат, из-за чего его называют также F1-АТРазой. Если осторожно экстрагировать F1 из инвертированных мембранных пузырьков. полученных путем разрушения внутренней митохондриальной мембраны (рис. 17-15), то дыхательные цепи в этих пузырьках оказываются ненарушенными; они способны осуществлять перенос электронов. Однако пузырьки, лишенные F1 (отсутствие F1-головок подтверждается электронной микроскопией), уже не способны синтезировать АТР. Если же к таким пузырькам в соответствующих условиях добавить изолированный F1, то нормальная структура внутренней митохондриальной мембраны (непременным элементом которой являются F1-головки) восстановится, а вместе с ней восстановится и энергетическое сопряжение между переносом электронов и синтезом АТР (рис. 17-15). Такого рода эксперименты с реконструкцией мембранной структуры, впервые проведенные Рэккером, положили начало широкому и плодотворному изучению структуры и функции мембран.
Рис. 17-15. Разрушение внутренней мембраны митохондрий ультразвуком, получение мембранных пузырьков, лишенных способности к окислительному фосфорилированию, и реконструирование структур, способных осуществлять этот процесс. Под действием ультразвука кристы внутренней митохондриальной мембраны разрушаются. Затем края мембранных фрагментов смыкаются и образуются замкнутые мембранные пузырьки, в которых головки грибовидных выростов, или F1-головки, обращены не внутрь, а наружу. Если обработать эти инвертированные пузырьки мочевиной или трипсином, то F1-головки от них отделятся. Обработанные таким способом пузырьки, все еще содержащие F0-компоненты, сохраняют способность к переносу электронов, но уже не могут осуществлять фосфорилирование. Если теперь к таким потерявшим свои головки пузырькам добавить молекулы F1, то эти молекулы вновь соединятся с F0-единицами, сохранившимися в мембране пузырьков. В таких реконструированных пузырьках снова будут происходить оба процесса и перенос электронов, и окислительное фосфорилирование.
Рис. 17-16. Структура F0F1-ATPaзы (АТР-синтетазы). А. Впервые F0F1-ATPaзa была обнаружена в виде грибовидных выростов на внутренней поверхности митохондриальной мембраны (их можно видеть здесь на электронной микрофотографии). Б. Модель F0F1-АТРазы, показывающая возможное расположение ее субъединиц. В. Кристаллы F1-компонента комплекса из митохондрий печени крысы. Г. Электронная микрофотография на которой видны две молекулы F0F1-АТРазы. вьпеленной из митохондрий печени крысы.
Позднее компонент F1 был выделен в чистом кристаллическом виде (рис. 17-16). Его молекулярная масса равна приблизительно 380000. Молекула F1 состоит из девяти субъединиц пяти разных типов, сгруппированных вместе и содержащих несколько связывающих участков для АТР и ADP. Удалось также получить в высокоочищенном виде и
F0F1-АТРазу. Электронно-микроскопическое изучение полной молекулы этого фермента при высоком разрешении показало, что она состоит из F1 -головки, ножки и основания, которое обычно заполняет всю толщу внутренней митохондриальной мембраны (рис. 17-16). F0F1-АТРазу назвали АТРазой, потому что в изолированном виде она катализирует расщепление АТР на ADP и Рі. Однако в интактных митохондриях главная ее биологическая функция заключается не в расщеплении, а в синтезе АТР из ADP и Рі; поэтому правильнее было бы называть ее АТР-синтетазой.