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

Еще в 1956 г. П. Митчел отметил принципиальную возможность того, что ионный градиент может вызвать движение бактерий. Было высказано предположение, что бактериальная флагелла играет роль гигантского ионного канала. Впоследствии эта конкретная схема была оставлена на основании расчета, показавшего ее неэффективность. Тем не менее общая идея локомоции, поддерживаемой энергией ионного градиента, получила экспериментальное подтверждение.

В 1974 г. Дж. Адлер и его коллеги наблюдали движение мутанта Е. coli, лишенного способности к окислительному фосфорилированию. Мутант был подвижен в условиях активного дыхания, хотя оно не могло быть сопряжено с синтезом АТФ, уровень которого поддерживался гликолизом. Более того, сильное уменьшение концентрации АТФ в клетке не снижало скорости движения мутанта. Клетки обездвиживались при добавлении разобщителя.

В 1975 г. работами автора и его сотрудников было подтверждено наблюдение Дж. Адлера, хотя исследования производили на бактерии Rhodospirillum rubrum, весьма отдаленной от Е. coli по своему систематическому положению. Как оказалось, и в этом случае скорость движения не коррелирует с уровнем АТФ. В то же время наблюдали хорошую корреляцию с величиной мембранного потенциала, образуемого фотосинтетической редокс-цепью. На основе этих данных было сделано заключение, что движение Rh. Rubrum поддерживается энергией ΔμH, а не АТФ. В дальнейшем в группе автора и двух других лабораториях было показано, что бактерии, неподвижные в условиях, когда генерация ΔμH естественным путем была невозможна, на несколько минут вновь приобретают подвижность, если на их мембране искусственно создается Δψ или ΔpH.

У В. subtilis подвижность появлялась при ΔμH около 30 мВ; скорость движения возрастала при повышении ΔμH до 60 мВ. Дальнейший рост ΔμH не влиял на скорость. У Е. coli также был обнаружен порог, ниже которого бактерии оставались неподвижными. Однако возрастание скорости движения наблюдалось вплоть до величин ΔμH порядка 200 мВ.

Максимальные скорости движения различаются у разных видов. Наибольшая величина: 140 мкм·с-1 получена для Bdellovibrio bacteriovorus.

Другие бактерии обычно движутся со скоростью 20-30 мкм·с-1. Скорость вращения флагеллы обычно колеблется в пределах 5-50 оборотов/с, достигая 150 оборотов/с у Е. coli в условиях, когда базальное тело вращается практически без нагрузки.

Важная особенность флагеллярного мотора - его способность вращать флагеллу как по часовой стрелке, так и против нее при неизменной направленности ΔμH. Переключение с одного направления вращения на другое контролируется системой таксиса. Добавление репеллента вызывает смену направления вращения: фла-гелла, вращавшаяся против часовой стрелки, начинает вращаться по часовой стрелке.

Одним из параметров, измеряемых системой таксиса, служит ΔμH. Таким образом, ΔμH оказывается не только движущей силой, но и регулятором направления вращения ротора. Этот факт сильно осложняет изучение механизма работы флагеллярного мотора. Преодолеть затруднение удалось двумя различными путями.

В работах Г. Берга и сотрудников был исследован подвижный мутант стрептококка, дефектный по системе таксиса. Оказалось, что изменение направления ΔμH, искусственно создаваемой на мембране мутанта, приводит к изменению направления вращения флагеллы. Этот эффект служит сильным доводом в пользу концепции, рассматривающей ΔμH в качестве той формы энергии, которая непосредственно потребляется флагеллярным мотором. Крайне маловероятно, чтобы обратная ΔμH вызывала вращение в противоположную сторону, если между ΔμH и мотором есть какой-либо интермедиат типа высокоэнергетического соединения.

Другой подход был применен М. Эйзенбахом и Дж. Адлером. Авторы получили "тени" клеток Е. coli и Salmonella typhimurium, сохраняющие оболочку и флагеллы, но лишенные цитоплазмы. "Тени" прикрепляли к стеклу, покрытому антителами к флагеллину. В результате приклеенная к стеклу флагелла вместе со своим ротором оказывалась прочно закрепленной. В этих условиях включение мотора приводило к вращению статора, а с ним и "тени" бактериальной клетки, висящей на флагелле. Используя такую систему, лишенную цитоплазматической системы таксиса, авторы нашли, что как дыхание, так и искусственно созданная ΔμH естественного направления поддерживают вращение против часовой стрелки. К сожалению, искусственно созданная ΔμH обратного знака вращения не вызывала, что, по мнению авторов, было следствием необратимого повреждения мотора.

В группе Г. Берга были исследованы интактные клетки стрептококка, приклеенные флагеллами к стеклу. Искусственную Δψ создали переносом К+ по концентрационному градиенту в присутствии валиномицина, а искусственную ΔpH - подкислением или подщелачиванием инкубационной среды. Важнейший результат, полученный авторами, состоит в том, что вращательный момент флагеллярного мотора практически не зависит от температуры в исследованном интервале от 38 до 4°С.

По всей вероятности, работа мотора происходит без каких-либо конформационных изменений образующих его белков или других событий, сопутствующих ферментативному катализу, который всегда сильно тормозится при таком значительном снижении температуры. Кроме того, можно заключить, что ротор прямо не контактирует с липидной фазой. Известно, что температурный сдвиг такого масштаба, как в опытах Г. Берга, тормозит даже столь простой процесс, как проведение протонов через липидную мембрану низкомолекулярными разобщителями-протонофорами. Другой факт, отличающий мотор от ферментов-переносчиков ионов Н+, - отсутствие изотопного эффекта при замене Н2О на D2O.