научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ РЕГУЛЯЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА В ХЛОРОПЛАСТАХ Биология

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ РЕГУЛЯЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА В ХЛОРОПЛАСТАХ»

УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2010, том 130, № 5, с. 471-480

УДК 577.3

ОСОБЕННОСТИ РЕГУЛЯЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА

В ХЛОРОПЛАСТАХ © 2010 г. И.М. Карташов

Институт фундаментальных проблем биологии РАН, Пущино, Московская обл.

E-mail: rkartashova@mail.ru

Приведен анализ влияния диффузии субстратов и продуктов фотофосфорилирования на скорости генерации АТФ и его потребления в хлоропластах на основе данных литературы и результатов собственных исследований. Приводятся результаты исследований регуляции диффузии аденин-нуклеотидов в процессах генерации АТФ и его потребления с участием аденилаткиназы хлоропла-стов (КФ. 2.7.4.3.), катализирующей реакцию: 2 АДФ ^ АТФ + АМФ, в условиях in vitro. Участие аденилаткиназы в регуляции диффузии адениннуклеотидов в хлоропластах обсуждается в рамках аксиоматических представлений о саморегуляции фотосинтеза (принципы саморегуляции).

Ключевые слова: регуляция, хлоропласты, диффузия адениннуклеотидов, аденилаткиназа.

ВВЕДЕНИЕ

Выяснение механизмов регуляции энергетического обмена в хлоропластах является одной из важнейших задач современной биологической химии. К настоящему времени накоплено много экспериментальных фактов, свидетельствующих о том, что регуляция энергетического обмена в хлоропластах в значительной степени определяется изменением скоростей генерации АТФ и его потребления, т.е. путем их ускорения или замедления. Это связано с тем, что утилизация АТФ влияет на генерацию АТФ, а последний процесс, в свою очередь, через внутритилакоид-ный рН на образование другого важного соединения - восстановленного НАДФ, необходимого для энергопотребляющих стадий фотосинтеза [33, 55, 69]. Поэтому представляется вероятным, что действие наиболее важных регуляторных механизмов энергетического обмена в хлоропла-стах прежде всего может быть направлено на элементарные стадии процессов образования АТФ и его потребления, которые могут контролировать их скорости. К таким элементарным стадиям в процессе фотофосфорилирования можно отнести: транспорт (диффузия) субстратов к активным центрам СБ1 (сопрягающий фактор -АТФ-синтетаза), их адсорбцию, каталитическое превращение (образование Р-О-Р связи в АТФ), десорбцию АТФ из активного центра СБ1 и его транспорт (диффузию) к потребителям. В приведенной последовательности сравнительно мало внимания уделяется стадиям диффузии АДФ и

АТФ в хлоропластах. Поэтому в настоящей работе приведен анализ влияния диффузии субстратов и продуктов фотофосфорилирования в процессах генерации АТФ и его потребления в хлоропластах на основе данных литературы и результатов собственных исследований. По аналогии с аденилат-киназой митохондрий животных клеток рассмотрена возможная модель участия аденилаткиназы хлоропластов (КФ. 2.7.4.3), катализирующей реакцию: 2 АДФ -м- АТФ + АМФ, в регуляции энергетического обмена путем влияния на транспорт (диффузию) адениннуклеотидов внутри органелл.

ВЛИЯНИЕ ДИФФУЗИИ СУБСТРАТОВ И ПРОДУКТОВ ФОТОФОСФОРИЛИРОВАНИЯ НА СКОРОСТИ ГЕНЕРАЦИИ АТФ И ЕГО ПОТРЕБЛЕНИЯ В ХЛОРОПЛАСТАХ

При исследовании биохимических процессов редко обращают внимание на диффузионные ограничения суммарной скорости реакции. В то же время эти ограничения возникают, когда каталитическая активность ферментов выше, чем скорость поступления субстратов [2, 3, 52-54].

Учитывая биологическую специфику, эволюционный способ (в ходе естественного отбора) формирования всех "механизмов" в биологических системах, провели оценку интенсивности диффузионных потоков метаболитов в биохимических процессах [52-54]. На основе оценки было выдвинуто положение, согласно которо-

му кинетика образования и использования мак-роэргических фосфатов, как и многих других биохимических процессов, может определяться совершенством соответствующих ферментов и величиной диффузионных ограничений. При этом в рамках приведенных элементарных стадий под совершенством фермента следует понимать скорость образования ковалентной связи (Р-О-Р) в АТФ, а под величиной диффузионных ограничений - скорости диффузии субстратов к активным центрам CF1 и скорости десорбции АТФ из активного центра CF1 и его транспорт (диффузию) к потребителям. Из анализа кинетики процессов генерации и потребления АТР в хлоропластах, основанного на теоретических и экспериментальных подходах, разработанных при изучении катализа иммобилизованными ферментами, следует, что стадия диффузии АТФ и АДФ в самом деле протекают более медленно, чем стадия каталитического превращения (образование ковалентной связи в АТФ) [14, 15, 56, 57].

Более медленные скорости диффузионных стадий, чем скорость стадии образования ковалент-ной связи в АТФ, могут быть обусловлены высокой каталитической активностью CF1 (Ккат = = 300 - 500 с-1 - число оборотов АТФ-синтетазы в 1 с) и более низкой диффузионной подвижностью адениннуклеотидов в пределах хлоропласта из-за наличия неперемешиваемых (диффузионных) слоев, прилегающих к тилакоидной поверхности [14, 15, 56, 57], неравномерного распределения CF1 в мембранах тилакоидов [6], а также возможностью задержки вновь синтезированного АТФ мембранами тилакоидов [14, 15, 56, 57] и высокой концентрации белка в строме (40-50 вес.%) [38].

В условиях in vitro диффузионные ограничения можно уменьшить повышением концентрации АДФ [15, 56, 57, 71] в реакционной среде, подключением АТФ-потребляющих ферментов за счет рецикла АДФ [56, 57], предварительной адсорбцией АДФ на тилакоидных мембранах [14, 15] и гипотонической обработкой изотонически выделенных хлоропластов [56, 57].

Интересно отметить, что, если предварительно адсорбировать АДФ на тилакоидной мембране [14, 15], а затем следить за его превращениями, то в начальный момент наблюдается более высокая скорость образования АТФ. Из этих исследований также следует, что стадия образования фосфоангидридной связи между АДФ и Фн протекает более быстро, чем стадии адсорбции-десорбции, определяемые диффузией. При этом число молекул АДФ, превратившихся в АТФ,

может значительно превышать число активных центров CF1, что хорошо согласуется с эстафетным механизмом передачи, предложенным в работах [9, 42, 43], а вновь образованный АТФ не полностью переходит в окружающий раствор, частично задерживаясь на тилакоидной мембране. Такая задержка может играть и положительную роль, так как последующий АТФ-потребляю-щий фермент может встречать более высокую локальную концентрацию, что, как известно из литературы по исследованию функционирования иммобилизованных ферментов [2, 3, 41], может способствовать более высокой скорости последующей АТФ-потребляющей ферментативной реакции.

Кроме того, известно, что для обратимых реакций с иммобилизованными ферментами диффузионные ограничения могут приводить к более быстрому достижению равновесия [41, 81]. В этой связи можно отметить, что при низких концентрациях АДФ в ходе фотофосфорилиро-вания из-за обратимости синтеза АТФ будет достигаться более быстро равновесие, оцениваемое по включению меченого кислорода в АТФ [9, 42, 60, 78].

В условиях in vitro в процессе фотофосфори-лирования можно выделить два режима функционирования: диффузионный при низких концентрациях АДФ и кинетический - при высоких. Изменением концентрации АДФ в реакционной среде можно переводить ферментативную реакцию из кинетической в диффузионную область и наоборот. При исследовании зависимости фотофосфорилирования от концентрации АДФ в координатах Лайнуивера-Берка наблюдается криволинейное отклонение (или бифаз-ность) от обычной прямолинейной зависимости в области низких концентраций АДФ, что можно объяснить диффузионными ограничениями для АДФ [59, 68, 70, 78]. Для неорганического фосфата (Фн) таких отклонений не наблюдается [68], что свидетельствует о его лучшей диффузионной подвижности. Поскольку диффузионные процессы с иммобилизованными ферментами затрагивают в большей степени Km (константа Михаэлиса) [2, 3, 36, 41], то, возможно, наблюдаемый широкий разброс по Km для АДФ от 1 до 200 мкМ [59] обусловлен влиянием тилако-идных мембран на диффузионную подвижность АДФ.

Таким образом, имеющиеся экспериментальные данные по влиянию диффузии адениннук-леотидов на процессы генерации и потребления АТФ в хлоропластах в целом согласуются с ос-

новными положениями о важной роли диффузии метаболитов в биологических системах, выдвинутыми на основе анализа физических и химических закономерностей основных этапов биологической эволюции [52-54]. При этом важно подчеркнуть, что в любом случае между стромой хлоропластов и наружной поверхностью тилако-идных мембран должен возникнуть диффузионный градиент АТФ и АДФ, чтобы осуществился перенос АТФ от мест синтеза к месту потребления в реакции фотосинтетической ассимиляции СО2 [55]. Однако большие градиенты могут быть неэффективными [65, 80, 82]. В свою очередь отмечалось [52-54], что давление естественного отбора должно обусловить в биосистемах наиболее быструю диффузию с помощью специальных биохимических регуляторных механизмов, обеспечивающих предельно возможное ускорение превращений веществ и наивысшую скорость их регуляции. При этом рассмотрены два возможных способа ослабления диффузионных ограничений. Первый способ включает пространственное сближение ферментов и их правильную ориентацию в надмолекулярных комплексах. Этот способ имеет экспериментальное подтверждение при исследовании кинетики полиферментных систем иммобилизованных ферментов, в которых за счет специфического пространственного закрепления соседних ферментов наблюдается более эффективный перенос метаболитов по сравнению с диффузионным механизмом в растворе [2, 3, 41, 45, 63]. Согласно второму способу, диффузия (перенос) метаболитов от одного катализатора к другому может осуществляться уникальными (специфическими) маршрутами с участием катализаторов (ферментов). Другими словами, простая диффузия должна быть заменена облегченной для эффективного и регулируемого энергообеспечения физиологических процессов в соответствии с потребностями. В биохимических системах митохондрий в последней могут принимать участие такие ферменты, как аденилаткиназа и креатинкиназа [12, 32, 61, 65, 76, 83]. Однако для аден

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком