Транспорт протонов в энергосберегающих мембранах. Образование градиента электрохимических потенциалов в биомембранах

Транспорт протонов. Перенос электронов в энергосберегающих мембранах митохондрий, хлоропластов и бактерий сопровождается трансмембранным переносом Н⁺ и образованием градиента электрохимического потенциала этого иона ∆μН⁺, который включает электрический (мембранный потенциал) и концентрационный (градиент рН) компоненты:

∆μН ⁺ = RT ln(c_i / c_o) + zF (φ_i – φ_o) = zF ∆ φ – 2,3RT ∆pH.

Где i и o относятся к растворам, находящимся внутри и снаружи замкнутой мембранной системы. ∆ φ – разность потенциалов на мембране.

Перенос Н⁺ через мембраны может осуществляться транспортными механизмами трех типов.

1. Подвижные переносчики протонов, например, пластохинон в фотосинтетической тилакоидной мембране хлоропластов (рис. 5.16).

Рис. 5.16. Одна из возможных схем расположения молекулы пластохинона в мембране показана на рисунке (Тихонов, 1996)

2. Конформационные переходы мембранного белка при связывании протона на одной стороне мембраны и депротонировании белка с другой стороны, сопряженные с поворотом макромолекулы в мембране (рис. 5.17).

3. Протоны могут трансформироваться по специализированным структурам – Н⁺ -каналам, представляющим полость, образованную полярными группами белков.

Протонный канал – компонент всех Н⁺-АТФаз, представляет собой узкую полость, образованную полярными группами белка. По нему протоны поступают к каталитическому центру транспортной системы, в котором осуществляется сопряжение переноса Н⁺ с реакциями синтеза-гидролиза АТФ. Таким образом, основными узлами Н+-насосов являются протонный канал и активный центр.

В мембранах системы водородных связей, по которым транспортируются протоны, образованы полярными группами, не участвующими в формировании Н-связей α-спирали полипептидной цепи:

• Сначала происходит перескок протона от группы к группе (рис. 5.18), происходит дополнительное смещение заряда, а затем поворот группы, в результате которого система связей возвращается в исходное состояние.

• В результате поворота химической группы образуется конфигурация, не допускающая возврата протона в начальное состояние.

• Лишь некоторая часть от полного заряда протона смещается за счет его перескока, остальная часть заряда смещается за счет поворота полярной группы. Благодаря этому существенно снижен энергетический барьер переноса Н⁺ через мембрану.

• Характерные подвижности ионного и поворотного дефектов составляют 10^-3 и 10^-4 см/В. с. Время миграции дефектов через мембрану толщиной 5 нм не превышает 0,25 мкс и 2,5 мкс соответственно.

Рис. 5.18. Проведение протона по цепи Н-связей: I — стадия перескока протона, II — стадия поворота групп (миграция поворотного дефекта)

В общем виде систему активного транспорта рассматривают как трансмембранный канал с большим числом участков связывания Н+, в котором транслокация протонов происходит за счет последовательных перескоков Н+ между участками связывания. Такой ионный канал может работать как ионный насос, если структура энергетических барьеров претерпевает динамические изменения за счет энергообеспечивающей реакции, например изменяются константа диссоциации протон-связывающих участков канала и высота соседних барьеров. В этом случае протон будет освобождаться преимущественно с одной стороны мембраны, а поглощаться— с другой.

На рис. 5.19 показаны профили потенциальной энергии Н+ для основного и энергизованного состояния канала, формируемого бактериородопсином в мембранах галофильных бактерий. В основном состоянии протон занимает наиболее глубокую потенциальную яму, соответствующую главному участку связывания. Этот участок доступен с цитоплазматической стороны мембраны, но отделен от внешней среды высоким энергетическим барьером. При поглощении бактериородопсином кванта света энергетический уровень участка связывания и высота барьеров изменяются таким образом, что протон высвобождается во внешний раствор. Изменение высоты активационных барьеров, обусловленное небольшими изменениями конформации Н+ канала, может быть связано с изменением сродства к протону аминокислотных остатков переносчиков Н⁺.

Рис. 5.19. Энергозависимые изменения структуры барьеров в ионном канале активной транспортной системы: i — потенциальный минимум (Рубин, 2004)