Содержание

Химическая работа за счет ΔμH      Н+-АТФ-Синтаза      Н+-Пирофосфат-синтаза      Н+-Трансгидрогеназа Осмотическая работа за счет ΔμH      Определение и классификация      Δψ как движущая сила      ΔpH как движущая сила      Общая ΔμH как движущая сила      ΔμH - Зависимые транспортные каскады      Карнитин как пример трансмембранного переносчика химической группировки      Некоторые примеры ΔμH - зависимых белков-переносчиков      Роль ΔμH в транспорте макромолекул Механическая работа за счет ΔμH: движение бактерий      Структура флагеллярного мотора бактерий      ΔμH вращает ротор флагеллярного мотора      Возможный механизм Н+-мотора      ΔμH - Зависимая подвижность прокариот, не содержащих флагелл, и        внутриклеточных органелл      Подвижные симбионты эукариот и прокариот ΔμH как источник энергии для образования теплоты      Три способа превращения метаболической энергии в теплоту      Терморегуляторная активация свободного дыхания у животных      Терморегуляторная активация свободного окисления у растений

В некоторых случаях через мембрану переносится не вся молекула транспортируемого вещества, а только ее часть. Примером этому может быть транспорт остатков жирных кислот (жирных ацилов), опосредованный участием карнитина.

Исследования карнитина имеют длинную историю, поучительную для всех, кто занимается проблемой транспорта метаболитов. Карнитин (рис. 43) был открыт в 1905 г. в России В. Гулевичем и Р. Кримбергом. В то время биохимические журналы пестрели сообщениями о новых веществах биологического происхождения, поэтому описание еще одного органического соединения в мышцах вряд ли было оценено по достоинству.

В 30-е годы, когда прогресс в понимании биологических функций низкомолекулярных соединений был особенно впечатляющим, структурное подобие карнитина и холина стимулировало ряд исследований, однако никакой метаболической функции карнитина обнаружить не удалось.

В 40-х годах весьма популярными были работы по поиску новых витаминов, и здесь наконец-то был достигнут первый успех в изучении роли карнитина. Оказалось, что он служит одним из ростовых факторов для мучного червя Tenebrio molitor. Авторы, обнаружившие этот эффект, назвали карнитин витамином ВТ (Т от Tenebrio). Позднее было найдено, что в условиях дефицита по карнитину и голодания черви умирают "жирными", будучи неспособными утилизировать свои жировые запасы.

К несчастью для исследователей карнитина, все попытки показать витаминную функцию этого вещества на объектах иных, чем мучной червь, дали отрицательный результат. Работа по витамину ВТ оказалась не в состоянии стимулировать интерес к функции карнитина просто потому, что человечество, не заинтересованное в процветании мучных червей, было не слишком озабоченно витаминностью их пищи. К середине века, когда подавляющее большинство низкомолекулярных компонентов клетки уже нашло свое место на метаболической карте, функция карнитина все еще оставалась неясной.

В 1955 г., т. е. ровно полвека спустя после открытия карнитина, С. Фридман и Г. Френкель выяснили, что карнитин обратимо аце-тилируется посредством ацетил-КоА. Ацетил-КоА занимает ключевое место в метаболизме, так что можно было надеяться, что ацетилкарнитин служит интермедиатом переноса ацильных остатков с ацетил-ДоЛ на какой-либо акцептор. Ничего подобного, однако, показано не было. Единственной реакцией утилизации ацетилкарни-тина осталось его превращение обратно в карнитин с ацетилирова-нием свободного КоА. То же верно и для ацилкарнитина, второго представителя соединений этого типа, который вместо ацетила содержит ацильный остаток жирной кислоты. Складывалось впечатление, что ацилирование карнитина представляет собой метаболический тупик.

В том же 1955 г. И. Фритц отметил стимулирующее действие карнитина на.окисление жирных кислот гомогенатом печени. Подобный эффект представлялся довольно неожиданным для вещества, стоящего в стороне от главных путей метаболизма, так что наблюдение Фритца в течение некоторого времени оставалось необъясненным.

В 60-е годы, когда начались обширные работы по мембранам, эффект Фритца также попал в поле зрения. Обнаружилось, что он как-то связан с митохондриями. Фритц выдвинул гипотезу об участии карнитина в транспорте жирных кислот через митохондриаль-ную мембрану. Эта мысль получила подкрепление, когда выяснились следующие два факта. Во-первых, карнитинацилтрансфераза, катализирующая перенос ацильной группы между КоА и карнити-ном, локализована на обеих сторонах внутренней мембраны митохондрий. Во-вторых, ацилкарнитин (но не ацил-КоА) способен проникать через митохондриальные мембраны. На основе названных наблюдений была сформулирована схема участия карнитина (Сn) как переносчика жирных ацилов, суммированная уравнениями:

Обе проблемы были решены в 70-е годы. Для биоэнергетиков этот период ознаменовался борьбой вокруг хемиосмотической гипотезы Питера Митчела, завершившейся его триумфом. В частности, было найдено, что любой процесс аккумуляции ионов или метаболитов в митохондриях поддерживается энергией ΔμH. Вот почему в 1970 г. автор и сотрудники предположили, что роль кар-нитина как-то связана с использованием протонного потенциала. Так как жирные кислоты представляют собой гидрофобные анионы, они могли бы откачиваться из митохондрий под действием Δψ. Протонированные формы жирных кислот способны входить обратно в митохондрии, двигаясь по ?p?. Циркуляция жирных кислот в мембране митохондрий должна приводить к рассеянию ΔμH (разобщению). В то же время ни карнитин, ни ацилкарнитин не могут быть анионами. В депротонированной форме они представляют собой цвиттерионы (суммарный заряд равен нулю), прото-нированной - катионы. При этом цвиттерионные формы более гидрофильны. Эти данные позволяют предположить, что жирные кислоты, соединяясь с карнитином, утрачивают свою разобщающую активность и приобретают способность накапливаться внутри митохондрий, где происходит их ?-окисление. Транспорт в целом может быть описан симпортом жирных ацилов и ионов Н+ в митохондриальный матрикс под действием общей ΔμH:

Итак, теперь известен ответ на вопрос, почему карнитин был выбран в качестве переносчика жирных ацилов. Зная функцию карнитина, можно лишь поражаться целесообразности устройства этой небольшой молекулы. Все три функциональные группы карнитина необходимы для выполнения им его роли: гидроксильная группа нужна для соединения с жирным ацилом, карбоксильная - для обратимого связывания протона, четвертичный азот - для сообщения молекуле переносчика положительного заряда.

Представленная концепция оставляет без ответа лишь один, последний вопрос, а именно, что происходит с карнитином, освободившимся внутри митохондрии в реакции? Эта проблема была решена в 1976 г. С. Панде и Р. Парвином и независимо Р. Рамсеем и П. Таб-босом, обнаружившими стехиометричный карнитин/ацилкарнитин-антипорт между инкубационной смесью и митохондрией.

Общая схема транспорта внемитохондриальных ацилов жирных кислот в матрикс представлена на рис. 44. Процесс начинается во внешней митохондриальной мембране, где локализована ацил-КоА-синтаза, фермент эстерифицирующий КоА свободными жирными кислотами за счет энергии АТФ (реакция 1). В межмембранном пространстве или на внешней поверхности внутренней мембраны ацил-КоА атакуется внешней карнитинацилтрансферазой, в результате чего жирный ацил переносится с КоА на карнитин (реакция 2). Образующийся ацилкарнитин протонируется ионами Н+нар. Фонд Н+нар пополняется дыхательными ΔμH-генераторами, откачивающими протоны из матрикса в межмембранное пространство (реакции 3 и 4). Протонированный ацилкарнитин пересекает внутреннюю мембрану, двигаясь под действием общей ΔμH (реакция 5), и депротонируется в матриксе (реакция 6). Там ацилкарнитин ацилирует внутримитохондриальный КоА под действием внутренней ацилкарнитинтрансферазы (реакция 7). Высвобождающийся при этом карнитин обменивается с внешним ацилкарнитином посредством карнитин/ацилкарнитин-антипортера (реакция 8).

Интересной чертой этой системы является то обстоятельство, что уровень карнитина в матриксе регулирует распределение потока ацилкарнитина в митохондрию между ΔμH-зависимым (т. е. связанным с энергетическими затратами) путем 5 и энергозависимым антипортом 8. Вероятно, ΔμH-зависимый путь преобладает в тот момент, когда жирные кислоты начинают окисляться, сменяя другие субстраты дыхания. В этих условиях концентрация свободного карнитина в матриксе еще слишком мала, чтобы насытить антипортер, имеющий довольно низкое сродство к карнитину (Кт около 1 мМ). На данной стадии затрата ΔμH оправдана, поскольку это форсирует накопление жирных кислот в митохондриях и тем самым способствует переводу митохондрий на окисление жирных кислот. Массированное поступление ацилкарнитина в матрикс с последующей утилизацией жирных ацилов в системе ?-окисления приводит к накоплению карнитина в матриксе митохондрий в количествах, достаточных для активации антипортера. Теперь система может ограничить затраты ΔμH на транспорт жирных ацилов, так как работа антипортера сама по себе не требует протонного потенциала.

Приведенную выше логику нельзя применить к ацетилкарнитину, который слишком гидрофилен для проникающего катиона. В группе автора было постулировано, что главная функция ацетилкарнитина состоит в забуферивании уровня ацетил-КоА подобно тому, как креатинфосфат забуферивает уровень АТФ.