Н+-АТФаза и мембранный потенциал

Выкачивая протоны из клетки в среду (в примембранный слой), Н±АТФаза участвует в создании трансмембранной разности потенциалов (??) со знаком минус с цитоплазматической стороны мембраны. Вклад Н±АТФазы в формирование ?? принято обозначать термином «метаболическая компонента». Эта компонента является как бы надстройкой над пассивной частью ??, возникающей диффузионным путем в результате неравномерного распределения ионов по обе стороны мембраны. Выявить метаболическую компоненту просто. Для этого достаточно подействовать на клетку каким-либо агентом, угнетающим работу Н±АТФазы. Оставшаяся после угнетения часть ?? является пассивной, а та его часть, которая подверглась угнетению, отражает метаболическую компоненту (рис. 1, б).

Генерация Н±АТФазой метаболической компоненты ?? у высших растений имеет некоторые особенности.

Рис. 1. Генерация Н±АТФазой метаболической компоненты мембранного потенциала (??).

а — Н±АТФаза за счет энергии гидролиза АТФ выкачивает из клетки протоны и создает метаболическую компоненту ?? (то есть компоненту, генерация которой непосредственно связана с энергетическими затратами). При этом на мембране возникает разность потенциалов со знаком минус внутри;

б — выявление метаболической компоненты ??, создаваемой Н±АТФазой. Ингибитор Н±АТФазы подавляет ее работу и устраняет метаболическую компоненту ??. Остающаяся часть мембранного потенциала не зависит от метаболизма и является диффузионной компонентой;

в — стабилизирующие свойства Н±АТФазы: 1 — созданный на вывернутых везикулах плазматических мембран диффузионный калиевый потенциал (обусловленный входом калия внутрь с помощью его переносчика валиномицина) быстро уменьшается, диссипирует; 2 — подключение к диффузионному калиевому потенциалу метаболической компоненты, создаваемой Н±АТФазой (путем добавления к везикулам Mg-АТФ), увеличивает мембранный потенциал и «в то же время» стабилизирует его во времени; г — размен создаваемого Н±АТФазой ?? на? рН. Н±АТФаза создает на плазматической мембране ??. Его величина ограничена емкостью мембраны (-1 мкФ). Однако происходящая разрядка ?? (за счет входа ионов калия по градиенту потенциала) позволяет Н±АТФазе вынести из клетки новую порцию протонов. В результате ?? постепенно конвертирует в? рН.

• 1. Метаболическая компонента ?? значительна по своей величине. По нашим измерениям, она составляет до 60—70% общей величины ??, которая обычно у растений равна 140—160 мВ. Ранее мы видели, что величина ?? характеризует степень энергизации биомембраны, то есть степень запасания энергии в виде трансмембранной разности потенциалов, являющейся по современным представлениям одной из форм конвертируемой (то есть легко переходящей в другие формы) энергии в клетке. Поэтому значительное участие метаболической компоненты в формировании ?? у растений способствует поддержанию энергизации плазматических мембран растений на достаточно высоком уровне. В условиях довольно часто возникающих экстремальных воздействий это представляется весьма важным, поскольку способствует большей устойчивости растительных клеток.
• 2. Метаболическая компонента ?? играет существенную роль в стабилизации ?? в целом. Это особенно наглядно видно в условиях модельной системы, каковой являются изолированные с помощью ультрацентрифугирования плазматические мембраны. Такие мембраны в растворе замкнуты в пузырьки — везикулы. В наших опытах они были вывернуты внутренней стороной мембраны наружу. Если снаружи таких пузырьков поместить ионы калия в присутствии переносчика этого иона валиномицина, то калий начинает проникать внутрь везикул. При этом на мембране везикул будет создаваться разность потенциалов со знаком плюс внутри. Возникает калиевый диффузионный потенциал (рис. 1, в). Как видно из рисунка, этот потенциал, возникнув, постепенно уменьшается или, как говорят, диссипирует за счет проникновения через мембрану других ионов. Если же заставить работать в мембранах Н±АТФазу, добавив к везикулам Mg-АТФ, то генерируется метаболическая компонента ?? (см. рис. 1, в). Общий суммарный потенциал (диффузионная + метаболическая компонента) оказывается стабильным и во времени почти не уменьшается. Таким образом, метаболическая компонента ??, генерируемая Н±АТФа-зой, берет на себя функцию поддержания стабильности ??, что связано со способностью этой ферментной системы в условиях мембраны к авторегулированию. Данное свойство представляется чрезвычайно важным в изменяющихся условиях внешней среды.
• 3. Метаболическая компонента трансмембранной разности потенциалов может подвергаться конверсии. Суть этого явления состоит в следующем. Как мы видели выше, Н±АТФаза за счет энергии АТФ выкачивает из клетки протоны. Вследствие этого возникает ?? со знаком минус на внутренней стороне мембраны. Этот процесс идет лишь до того предела, который ограничен электроемкостью мембраны (~ 1 мкФ). При этом изначально наружу выносится лишь небольшое количество ионов водорода, достаточное для зарядки мембранной емкости и создания ??, но мало отражающееся на величине трансмембранной разности рН. Однако, как видно из рис. 1, г, пассивное движение какого-либо катиона (обычно калия) по каналам внутрь клетки в соответствии с возникшим градиентом электрического потенциала разряжает мембрану и Н±АТФаза получает возможность произвести ее подзарядку, выкачав наружу дополнительное количество протонов. Поскольку проницаемость плазматических мембран растений для Н±ионов по существующим представлениям невелика, обратное их поступление в клетку ограничено. Поэтому происходит увеличение (в определенных пределах) количества Н±ионов у наружной стороны мембраны. Таким образом, в ходе рассмотренных явлений наблюдается трансформация разности потенциалов на мембране в трансмембранную разность рН (?рН) или, как говорят, размен ?? на? рН. Это имеет большое значение для функционирования клетки, по-скольку удаление протонов из протоплазмы способствует поддержанию ее рН, близкого к нейтральному, и «в то же время» возникающая на мембране? рН важна для протекания мембранозависимых процессов, в частности процессов вторичного активного транспорта.