БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 5, с. 590 - 611
УДК 577.352.5
Мы посвящаем эту статью профессору Владимиру Петровичу Скулачеву по случаю его восьмидесятилетия и с признательностью за неоценимый вклад в науку, которую по его предложению много лет назад назвали биоэнергетикой.
ДРЕВНИЕ СИСТЕМЫ НАТРИЙ-КАЛИЕВОГО ГОМЕОСТАЗА КЛЕТКИ КАК ПРЕДШЕСТВЕННИКИ МЕМБРАННОЙ БИОЭНЕРГЕТИКИ
© 2015 Д.В. Диброва1, М.Ю. Гальперин2, Е.В. Кунин2, А.Я. Мулкиджанян1,3,4*
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119991 Москва 2 National Center for Biotechnology Information, National Library of Medicine, National Institutes of Health, Bethesda, Maryland 20894, USA
3 School of Physics, Osnabrueck University, 49069 Osnabrueck, Germany;
E-mail: amulkid@uos.de
4 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет биоинженерии и биоинформатики, 119991 Москва
Поступила в редакцию 22.12.14 После доработки 26.01.15
Цитоплазма всех клеток — архей, бактерий и эукариот — содержит значительно больше калия, чем натрия, причем для многих клеточных процессов, в первую очередь, для синтеза белка, важно, чтобы ионов калия было существенно больше, чем ионов натрия. Подобная зависимость от ионов калия была ранее объяснена возникновением первых клеточных организмов в богатой калием среде. К настоящему времени предложено несколько геохимических сценариев для объяснения преобладания калия над натрием в местах обитания древних организмов. В частности, основываясь на преобладании калия над натрием в геотермальном паре, мы ранее предположили, что формирование первых клеточных организмов могло проходить на периферии древних бескислородных геотермальных полей в водоемах из парового конденсата, элементный состав которого должен был быть близок химии цитоплазмы современных клеток. Поскольку в морских и пресноводных водоемах концентрация ионов калия обычно существенно меньше, чем ионов натрия, заселение таких водоемов первыми клеточными организмами могло происходить только при наличии у них систем откачки ионов натрия из клетки. В настоящем обзоре рассматривается эволюционный сценарий, в соответствии с которым необходимость выживания в богатых натрием водоемах могла способствовать как постепенному уменьшению проводимости клеточных мембран, так и появлению различных редокс-, свето-, хе-мо- и осмозависимых систем откачки ионов натрия. Взаимодействие между несколькими исходно независимыми системами откачки ионов натрия привело к возникновению натрий-зависимой мембранной биоэнергетики, за которым последовало появление протонной биоэнергетики у бактерий и архей. Параллельно с этим происходило развитие систем, использующих натрий-калиевый градиент на плазматической мембране для нужд клетки.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: АТФ-синтаза, натрий-движущая сила, протондвижущая сила, натриевый симпор-тер, мембранные ионные насосы, абиогенез, бескислородные геотермальные поля.
Принятые сокращения: А^ — трансмембранная разность электрических потенциалов; LUCA — общий предок клеточных организмов (Last Universal Cellular Ancestor); P-loop, P-петля — фосфат-связывающая петля — последовательность аминокислот в нуклеотид-связывающих белках, известная также как «А-мотив Уолкера»; KREEP — «Potassium [K], Rare Earth Elements and Phosphorus» (калий, редкоземельные элементы и фосфор).
* Адресат для корреспонденции.
Около 40 лет назад Владимир Петрович Ску-лачев предположил, что №+/К+-градиент на клеточной мембране может использоваться прока-риотическими клетками для запасания энергии трансмембранного протонного потенциала [1]. К этому времени хемиосмотическая гипотеза Питера Митчелла [2], в доказательство которой Ску-лачев и сотрудники внесли решающий вклад, получила всеобщее признание. Протонный потенциал (трансмембранная разность электрохимических потенциалов ионов водорода) считался основным энергетическим интермедиатом клетки [3]. Но буферная емкость протонного потенциала невелика. Поскольку физиологические концентрации ионов натрия и калия намного выше, чем концентрация протонов, энергетическая емкость №+/К+-градиента должна превышать энергетическую емкость протонного градиента примерно в 105 раз [1, 4]. Скулачевым и сотрудниками было, в частности, показано, что у изученных бактерий и архей подвижность и внутриклеточный уровень АТФ падали намного быстрее в среде, богатой К+ (в отсутствие №+/К+-гради-ента), чем в среде, богатой причем если в калиевой среде истощение по АТФ было полным, в натриевой среде уровень внутриклеточного АТФ падал только наполовину [4].
Впоследствии, в 80-х гг. XX в., В.П. Скулачев опубликовал серию ключевых работ о том, что у некоторых бактерий градиент ионов может выполнять роль ассоциированного с мембраной энергетического интермедиата, аналогичного протонному градиенту у большинства организмов [5, 6]. В последующие годы феномен натриевой биоэнергетики был признан одним из фундаментальных механизмов биологического преобразования энергии [7, 8]. На основании фило-геномного и структурного анализа мы недавно опубликовали ряд свидетельств того, что натриевая биоэнергетика не является экзотической адаптацией всего нескольких алкалофильных и термофильных прокариот, но весьма широко распространена и, вероятно, была исходной (предковой) формой мембранной биоэнергетики [9—12]. Эта гипотеза основывалась на реконструкции предковых последовательностей и Н+-транспортирующих роторных мембранных АТФ-синтаз архей и бактерий, из которой следовало, что их предковая форма уже содержала аминокислотные остатки, необходимые для переноса ионов натрия [10]. Учитывая фундаментальное различие механизмов переноса ионов натрия и протонов через липидные мембраны [13, 14] и основываясь на давнем замечании В.П. Скулачева о том, что утечки липидной мембраны по ионам натрия предотвратить легче, чем утечки по протонам [15], мы предполо-
жили, что эволюционная первичность натриевой энергетики могла быть обусловлена тем, что непроницаемые для ионов натрия мембраны появились раньше мембран, не пропускающих протоны [10—12].
В то время как №+/К+-градиент на клеточной мембране является универсальным для всех клеточных организмов, в т.ч. эукариотических, №+-зависимая энергетика, обнаруженная до сих пор только у ограниченного количества бактерий и архей, традиционно считалась экзотической особенностью алкалофилов, термофилов и некоторых патогенных бактерий [8, 16]. Соответственно, №+-зависимая энергетика и поддержание клеточного №+/К+-гомеостаза обычно рассматриваются как два независимых феномена. Тем более неудивительно, что ^+/К+-гомеостаз (например, в животной клетке) обычно рассматривается независимо от митохондриальной протон-зависимой энергетики той же клетки. В данной работе мы показываем, что оба эти феномена, видимо, восходят к первичным мембранным системам откачивания натрия из древних клеток. Сперва мы обсуждаем, каким образом взаимодействие между изначально независимыми натриевыми помпами, которые могли быть вовлечены в поддержание градиента №+/К+ на мембране древних клеток, могло привести к возникновению натрий-зависимой энергетики, впоследствии давшей начало протон-зависимой биоэнергетике. Затем мы кратко рассматриваем то, каким образом клетки «учились» использовать №+/К+-градиент для своих нужд.
ПРЕОБЛАДАНИЕ ИОНОВ К+ НАД ИОНАМИ В ЦИТОПЛАЗМЕ
Хорошо известно, что цитоплазма живых клеток подавляющего большинства организмов содержит больше ионов калия, чем ионов натрия [17—19]. Отношение [К+]/[№+] < 1 отмечалось только у некоторых представителей морских пикобактерий [20] и галофильных бактерий [21]. Анализ возможных причин этих исключений из общего правила [20, 22] выявил несколько факторов, которые могли привести к пониженным значениям [К+]/[№+] у этих двух групп организмов. Во-первых, измеряемая величина соотношения [К+]/[№+] может существенно занижаться из-за связывания ионов натрия с поверхностью клетки, которое невозможно предотвратить, если бактерии растут при высоких концентрациях ионов натрия. Во-вторых, [К+]/[№+]>1 в цитоплазме является свойством активно мета-болизирующих клеток в фазе экспоненциального роста; при переходе клеток в стационарную
фазу роста данное соотношение заметно уменьшается и может даже стать меньше единицы [22]. Поддержание физиологических концентраций метаболитов в клетках в процессе их отделения от среды роста — нетривиальная задача, рутинно возникающая при экспериментальном изучении метаболизма прокариот и мембранного транспорта; в случае ионов калия и натрия проблема стоит еще острее, чем для сахаров и аминокислот. При нарушениях в метаболизме клетки из-за центрифугирования, фиксации клеток или иных процедур концентрации K+ и Na+ в цитоплазме должны быстро уравновешиваться с окружающей средой. Влияние двух поименованных факторов возрастает с увеличением отношения поверхности клетки к ее объему, т.е. оба фактора особо критичны для наиболее мелких клеток. В свете этого совсем неудивительно, что отношение [K+]/[Na+] < 1 было отмечено только у самых небольших галотолерант-ных прокариот. Таким образом, величины [K+]/[Na+] в пределах 0,1—1,0, полученные для галофильных и морских бактерий [20—22], могут считаться заниженной оценкой реальной величины градиента K+/Na+ (Аарон Орен (Aharon Oren), персональное сообщение). Исходя из вышеизложенного, можно считать, что концентрация K+ в активно растущих клетках существенно превышает концентрацию Na+.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПЕРВЫХ КЛЕТОК В БОГАТЫХ ИОНАМИ ^ УСЛОВИЯХ
Эволюционная важность преобладания ионов калия в цитоплазме была отмечена канадским биохимиком Арчибальдом Макаллумом в его основополагающей работе, где были сформулированы принципы эволюционной химии живых организмов (палеохимии), в особенности применительно к неорганической биохимии клетки [17]. Макаллум утверждал, что «поскольку клетка древнее окружающей ее ныне среды, соотношения между неорганическими веществами в клетке являются более древними, чем соответствующие соотношения в нынешней внешней среде: в плазме ли крови, в лимфе ли или в воде океанов и рек». Основываясь на д
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.