имся небольшими изменениями концентрации АДФ, неосуществимо. С другой стороны, так как основной функцией Fi является синтез АТФ, логично предположить, что постоянная насыщенность фер-

47

хорошо соответствует его физиологической.

мента субстратом функции.

Если принять, что гипотеза о различии путей синтеза и гидролиза АТФ митохондриальной АТФазой ,в предложенном нами виде [53] верна, то возникает вопрос: какова роль АТФазной реакции, протекающей по механизму, представленному большим циклом схемы рис. 1, или, другими словами, какова роль «гидролазной» конформации фермента (рис. 2).

АТФ

II

АТф] Ен

АТФ

АДФ

V

i

АТф

TI -

/\АДф-

АДф+фн+Др.Н+

АДф+фн+ДцН+

Рис. 2. Схема медленной трансформации митохондриальной АТФ-синтетазы, индуцируемой субстратом и продуктами. Толстыми стрелками показаны кинетически предпочтительные направления реакции, катализируемые «гидролазной» (Еа) и «синтетазной» (Es) конформациями фермента (Е)

Ответить на этот вопрос можно двояко.

Одна из возможностей, на наш взгляд, состоит в том, что высокая АТФазная активность митохондриальной АТФ-синтетазы является биохимическим артефактом, вызванным воздействием, необходимыми для получения субмитохондриальных частиц или растворимого Fi. В связи с этим уместно отметить, что АТФазная активность сопрягающих факторов из других организмов (хлоропласты растений [93], некоторые микроорганизмы [94]) очень низка, но она может быть активирована сильными химическими воздействиями (тепловая обработка, обработка меркаптоэтанолом, трипсином). Митохондриальный АТФ-синтетазный комплекс также содержит специальный низкомолекулярный белковый ингибитор (см. обзор [95]), и препараты растворимого Fi или субмитохондриальных частиц быстро теряют гидролазную активность при их инкубации с белковым ингибитором и АТФ [96]. Фактически для получения активной митохондриальной АТФазы приходится применять специальные воздействия для удаления белкового ингибитора [61]. Интересно, что, блокируя гидролазную реакцию, белковый ингибитор практически не влияет на окислительное фосфорит лирование [97]. Для объяснения этого явления была предложена гипотеза о ДцН+-зависимой диссоциации комплекса АТФазы с белковым ингибитором [98]. Эта гипотеза экспериментально не доказана. Более того, далеко не все экспериментальные факты

48

укладываются в представление о потенциал-зависимой диссоциации ингибитора. Так, например, известно, что гидролиз АТФ «сопряженными» субмитохондриальными частицами приводит к возникновению Дц,Н+ на сопрягающей мембране, который в свою очередь должен активировать АТФазу за счет снятия торможения белковым ингибитором. Другими словами, АТФ-зависимые эндер-гонические реакции в субмитохондриальных частицах, содержащих белок-ингибитор, должны протекать автокаталитически. Экспериментально этого не наблюдается; напротив, торможение АТФазной активности белком-ингибитором требует гидролитического акта [99]. В рамках предложенной нами модели действие белка-ингибитора легко объясняется, если предположить, что оно-направлено на одну из стадий большого цикла схемы рис. 1_ Функциональная роль белка-ингибитора при таком рассмотрении состоит в обеспечении надежности сопряженной АТФазной реакции 3.

Не исключено, что существование двух каталитических циклов,, осуществляемых митохондриальной АТФазой, не является биохимическим артефактом, а имеет физиологический смысл. Можно-себе представить, что в тех случаях, когда в гиалоплазме клетки, создается дефицит АДФ, митохондрии, обладая потенциально высокой АТФазной активностью, способны быстро обеспечить необходимое количество АДФ за счет активации гидролитического' цикла, не сопряженного с возникновением электрохимического потенциала ионов водорода на спрягающей мембране. Это предположение, однако, весьма гипотетично, и в настоящее время неслишком продуктивно из-за отсутствия четких экспериментальных, подходов к его проверке.

В заключение настоящего очерка хотелось бы подчеркнуть, что представление о различных путях синтеза и гидролиза АТФ в» митохондриях может рассматриваться как частный случай более общей ситуации, возникающей при рассмотрении обратимости' реакций, катализируемых ферментами. Хорошо известно, что-многие метаболические реакции в клетке, обеспечивающие распад, и синтез некоторых соединений, катализируются различными наборами ферментов (распад и синтез гликогена, окисление и синтез жирных кислот, синтез и деградация белков). На более простом, уровне этот принцип, согласно которому прямая и обратная реак-.ции протекают различными путями, может быть иллюстрирован существованием изозимов — ферментов, катализирующих одну и; ту же реакцию, но обладающих различными кинетическими параметрами. По-видимому, проблема функционирования изозимов^ прямо связана с термодинамической предопределенностью кинети-

3 Белок-ингибитор тормозит АТФазу медленно и для этого торможения необходим АТФ. Можно было бы думать, что действие белка-ингибитора, так же как и азида или сульфита, опосредовано медленной изомеризацией комплекса Е-АДФ. Специальное исследование, проведенное в нашей группе, показало, что это не так, и белковый ингибитор тормозит АТФазную активность AS-частиц. независимо от АДФ.

49

ческих параметров ферментов (соотношение Холдейна). В случае олигомерных ферментов (медленно диссоциирующие / ассоциирующие системы, ферменты с несколькими активными центрами) «кинетический изозимный» состав может определяться равновесием "между каталитически активными единицами, построенными из одного и того же белкового материала. Биологическая целесообразность такого способа регулирования очевидна, так как для его реализации требуется не кодирование и синтез новых полипептидных цепей, а только «разумное» использование «готовых» активных центров и каталитических механизмов, предсуществующих в отдельных блоках, из которых можно построить систему, не описываемую соотношением Холдейна. Простейшей разновидностью таких систем могла бы стать система, построенная из белка и «прочносвя-занного» лиганда-регулятора, причем высокое сродство фермента к такому лиганду-регулятору является необходимым условием создания «кинетических» изозимов. Действительно, для системы

Е«--—-»¦ E-L; К=-^-. (29)

fc-i *-H

где E — блок-катализатор, значения k+l обычно составляют величины порядка 10~7 М-1-мин-1, т. е. немного меньше, чем диффузионно контролируемый предел. Это означает, что при величине К~Ю-8—Ю-9 М значения &_t должны быть порядка Ю-1— 10_2-мин-1, и при обычном для ферментов числе оборотов порядка 103—104 мин-1 система, состоящая из свободного белка и его комплекса с лигандом-регулятором, должна проявлять гистерезис при быстром изменении концентрации L. Важно подчеркнуть, что медленное изменение активности по сравнению с числом оборотов фермента является необходимым условием такого типа регулирования; если равновесие устанавливается быстрее или со скоростями, равными скорости ферментативной реакции, концентрация является одним из параметров, входящих в соотношение Хол