Происхождение мембран и мембранной биоэнергетики
реклама
Художник Н.Кращин Происхождение мембран и мембранной биоэнергетики М.А.Никитин В прошлом номере мы проследили происхождение геномной ДНК и механизмов ее репликации — от РНК-белкового мира до больших кольцевых молекул ДНК, составляющих геномы бактерий и архей. Попробуем теперь путем сравнения бактерий и архей узнать структуру мембран их общего предка. Мембраны современных бактерий состоят из фосфолипидов — сложных эфиров глицерина, двух остатков жирной кислоты и одного фосфатного остатка. К фосфатному остатку может быть присоединена дополнительная полярная группа — этаноламин, холин, аминокислота серин или многоатомный спирт инозитол. Гидрофобные хвосты жирных кислот образуют средний слой мембраны, а полярные остатки глицерина, фосфата и вспомогательных полярных групп — наружный и внутренний слои. Мембраны архей устроены в принципе похоже, но на другой химической основе. Вместо жирных кислот их липиды содержат терпеновые спирты, напри- 26 мер геранилгераниол, углеводородные цепочки которых несут метильные группы через каждые четыре атома. Эти спирты простыми эфирными связями присоединяются к глицеринфосфату, фосфатный остаток может дополняться другими полярными головками, такими же, как у бактерий. Сам глицеринфосфат архей тоже отличается от бактериального — у архей используется другой его оптический изомер, глицерин-1-фосфат вместо глицерин-3-фосфата. Таким образом, сравнение мембран у современных организмов ничего нам не дает — все их основные компоненты отличаются до полной несовместимости. Одну из крайних точек зрения высказали Уильям Мартин и Майкл Рассел («Philosophical Transactions of the Royal Society, B, Biological Science», 2007, 362, 1887—1925, doi:10.1098/rstb.2006.1881): последний общий предок вообще не имел мембран — предки бактерий и архей изобрели современные мембраны независимо при выходе из пор в минеральных отложениях. Другая крайняя точка зрения основана на обнаружении жирных кислот в метеоритах и в условиях опыта Миллера. Согласно ей, примитивные мембраны, состоящие из абиогенно синтезированных жирных кислот, существовали еще на заре мира РНК, до появления белков. Обе эти крайности, скорее всего, неверны. В реконструированном арсенале белков LUCA (напомним, что так называют «последнего общего предка», от last universal common ancestor) есть несколько трансмембранных белков, таких, как мембранная АТФаза и система секреции белков III типа. А у кого есть белки, сидящие в мембране, у того должна быть и мембрана. Что до абиогенных жирных кислот, у них велик разброс по длине углеводородной цепи, и поэтому из их смеси получаются крайне непрочные мембраны. Гюнтер Вахтерхойзер предполагал, что LUCA имел смесь липидов с обоими изомерами глицерина, а бактерии и археи унаследовали по одному типу из этих двух («Philosophical Transactions of the Royal Society, B, Biological Science», 2006, 361, 1787—1806, doi:10.1098/rstb.2006.1904). Однако когда такие мембраны были получены искусственно, оказалось, что липиды с разными изомерами глицерина быстро разделяются на «острова», содержащие преимущественно один 1 Строение мембранных липидов бактерий (справа) и архей (слева) искусственно. Образующиеся из них мембраны, по сравнению с современными, обладают высокой подвижностью, текучестью и хорошо пропускают ионы металлов и малые органические молекулы. Это позволяло древним протоклеткам поглощать готовую органику из внешней среды даже без специальных транспортных белков. Еще один аргумент в пользу того, что древние мембраны содержали терпены, а не жирные кислоты, — особенности путей синтеза тех и других. Длинные цепи жирных кислот синтезируются одним ферментным комплексом, путем последовательного добавления двухуглеродных «кирпичиков» по одному. Чтобы получить жирные кислоты одинаковой длины (а следовательно — и прочную мембрану), нужны достаточно точные и совершенные ферменты. Терпены же синтезируются из более крупных пятиуглеродных строительных блоков изопентилпирофосфата, которые сначала собираются в десятиуглеродные молекулы геранилпирофосфата, а затем, при помощи другого фермента, — в двадцатиуглеродные зрелые спирты (геранилгераниол, кальдархеол, фитол и другие). Требования к точности и специфичности ферментов при такой крупноблочной сборке гораздо ниже. Первые белки могли встраиваться в мембрану с помощью механизма «выворачивания». Для этого белок не должен иметь участков, которые состояли бы исключительно из гидрофобных аминокислот, а только зоны чередования гидрофобных аминокислот с гидрофильными, примерно две через две. Такой белок может выходить из рибосомы без помощи SRP и достаточно растворим в воде. Чередование «2 через 2» создает альфа-спиральные участки, у которых один бок гидрофобный, а другой гидрофильный. В водорастворимой форме такой белок сворачивается гидрофобными участками внутрь, а попадая на мембрану, разворачивается по ней плоско. Затем его альфа-спирали могут опять собраться компактно, но уже гидрофобными участками наружу. Гидрофильные стороны спиралей образуют при этом пору в мембране, через которую могут проходить вода, ионы, полярные молекулы и даже белки и ДНК. Подобным образом и сейчас попадают в мембрану некоторые белки-токсины, которые синтезируются одной клеткой, а должны встроиться в мембрану другой. Теперь перейдем к той роли, которую играют современные мембраны в запасании и передаче энергии. Громадное большинство современных организмов синтезирует АТФ — «энергетическую валюту» клетки с помощью мембранных электрохимических процессов. Их главная движущая сила — протонный градиент, избыток ионов Н+ на наружной стороне мембраны по сравнению с внутренней. В общем виде процесс выглядит так. Ферментные комплексы электронтранспортных цепей проводят окислительно-восстановительные реакции, сопряженные с переносом ионов водорода через мембрану изнутри наружу. Затем ионы водорода входят в клетку через специальную мембранную АТФсинтазу, которая, в свою очередь, сопрягает движение протонов с синтезом АТФ. Работа электрон-транспортных цепей и АТФ-синтазы — конечный этап превращения энергии, выручаемой при окислении питательных веществ, в энергию связей между фосфатами АТФ, иными словами, в молекулярное топливо, которое клетке удобно использовать. Тот же электрохимический протонный градиент используется для транспорта молекул в клетку и для вращения бактериальных жгутиков. Компоненты электрон-траспортных цепей очень разнообразны, подстраиваются к условиям обитания клетки, и их гены подвержены горизонтальному переносу. Мембранные АТФ-синтазы более консервативны. Они делятся на два семейства: F и A/V, которые несколько отличаются по набору субъединиц. F-ATФ-синтазы встречаются у бактерий, в митохондриях и пластидах эукариот, тогда как A/V — у архей (A) и в вакуолях эукариот (V). Мембранные АТФ-синтазы обратимы — они могут или впускать протоны в клетку, синтезируя при этом АТФ, и откачивать из клетки с затратой энергии — гидролизом АТР. Во втором режиме обычно работают вакуолярные АТФазы, закисляющие среду в лизосо- 27 «Химия и жизнь», 2013, № 9, www.hij.ru изомер из двух, а мембрана легко рвется по границам этих «островов». Исследуя происхождение мембран, мы встречаемся с очередным парадоксом «курицы и яйца». Современные мембраны непроницаемы для ионов металлов и заряженых органических молекул, таких, как аминокислоты, и слабо пропускают сахара. Чтобы клетки могли поглощать органические вещества из внешней среды, мембрана содержит десятки видов транспортных белков. Клетка с мембраной, лишенной транспортных белков, обречена на голод, а транспортные белки не могут возникнуть в отсутствие мембран. Хуже того, синтез мембранных белков в современных клетках невозможен без мембранного белкового комплекса SRP, который связывается с рибосомой и помогает встроить в мембрану выходящую из нее белковую цепь. В отсутствие SRP гидрофобный участок пептида, который должен быть в мембране, просто застревает на выходе из рибосомы! (См. статью Мулкиджаняна, Гальперина и Кунина, «Trends in Biochemical Science», 2009, 34, 206—215, doi: 10.1016/j.tibs.2009.01.005.) Новая информация о мембранах LUCA появилась в 2012 году, когда несколько групп ученых подробно проанализировали историю генов всех ферментов биосинтеза всех компонентов липидов бактерий, архей и эукариот («Biochimica et Biophysica Acta — Bioenergetics», 2012, 1817, S154. doi: 10.1016/j.bbabio.2012.06.404; кстати, первый автор этой статьи — аспирантка Мулкиджаняна Дарья Диброва; «Nature Reviews Microbiology», 2012, 10, 7, 507— 515. doi: 10.1038/nrmicro2815). Родственными у архей и бактерий оказались ферменты для 1) синтеза терпеноспиртов (бактериям они тоже нужны, хотя и не для мембран) и 2) пришивания полярных голов к спиртам. Значит, эти реакции мог проводить и LUCA. И синтез глицеринфосфата, и синтез жирных кислот возникли лишь после разделения линий бактерий и архей. Следовательно, проще всего предположить, что липиды LUCA состояли из одного остатка терпенового спирта, остатка фосфата и полярной группы (серина или инозитола). Подобные липиды были синтезированы Биогенез мах (внутриклеточных пузырьках, где разрушаются ненужные структуры). С этим механизмом стоит познакомиться поближе. Те, кто утверждают, что «природа не изобрела колеса», не знают молекулярной биологии. АТФазы обоих семейств состоят из вращающейся части — «ротора» и неподвижной — «статора». «Ротор» — кольцо из 10—15 мелких с-субъединиц в мембране и стержень в цитоплазме. Погруженный в мембрану «статор» соединен боковым стержнем с кольцом из трех А и трех В субъединиц. Статор и с-субъединицы образуют карманы для протона, по одному с каждой стороны мембраны. Чтобы ион мог пройти из кармана в карман и пересечь мембрану, с-кольцо должно повернуться. Каждый ион делает полный круг вместе с ротором, и при каждом повороте с-кольца на одну субъединицу очередной ион покидает АТФазу. Молекулы АТФ связываются между A и В субъединицами цитоплазматического «статора», три АТФазных центра становятся активными поочередно при вращении стержня ротора внутри АВ-кольца. Таким образом, за один оборот молекулярного комплекса через мембрану переносится от 10 до 15 протонов (по числу с-субъединиц) и синтезируется либо гидролизуется три молекулы АТФ. Синтез АТФ за счет переноса протонов по градиенту часто сравнивают с вращением колеса за счет давления воды, а обратный процесс — с насосом, накачивающим воду вверх; как и все сравнения макромира с микромиром, это сравнение не совсем точно, но общую картину оно отражает. Каким образом возникло такое изощренное устройство? Есть ли в клетке более простые структуры, похожие на его «детали»? Да, есть. Основные субъединицы АТФ-синтазы и их взаимное расположение напоминают систему секреции белков III типа. (Эта общая для бактерий и архей система активно выделяет белки из клетки, развернув их до альфа-спиралей, с затратой АТФ и вращением выделяемого белка.) А и В-субъединицы статора также обладают более далеким, но достоверным сходством с хеликазами семейства Rho и белком RecA. Эти белки образуют кольца из шести одинаковых субъединиц, которые вращаются вокруг ДНК, расплетая ее за счет энергии АТФ. Таким образом, мембранная АТФ-синтаза происходит от древнего семейства вращающихся АТФаз с разнообразными функциями. Субъединицы F и A/V АТФ-синтаз гомологичны между собой за исключением стержня ротора — между стержнями F и A/V семейств нет ничего общего. Поскольку стержень необходим для передачи вращения от с-кольца к АВкольцу, то есть для сопряжения ионного транспорта с синтезом АТФ, это означа- 28 2 Строение АТФ-синтазы F-типа (по: www.atpsynthase.info/FAQ.html). Слева — боковая проекция этого молекулярного механизма; ротор — вращающаяся часть — обведен контуром и заштрихован. Справа тот же механизм в разрезе, показано прохождение одного иона H+ или Na+ через канал АТФ-синтазы. По адресу www.mrc-mbu.cam.ac.uk/research/atp-synthase можно найти анимированную схему ее работы. Подробнее и с пояснениями — http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/atpgradient/index.htm Белковый состав двух типов мембранных АТФ-синтаз (Mulkidjanian et al., «Biology Direct», 2008, 3, 13, doi:10.1186/1745-6150-3-13) ет, что общий предок F и A/V АТФаз не мог сам быть ион-движущей АТФазой. Скорее всего, два семейства АТФаз возникли независимо из системы секреции белков: в обоих случаях выделяемый белок застрял в ней и начал передавать вращение, но это были разные белки. У некоторых бактерий и архей мембранные АТФ-синтазы впускают в клетку не протоны, а ионы натрия. Соответственно комплексы дыхательной цепи у них тоже откачивают наружу натрий Бактерии вместо протонов, жгутик вращается натриевым градиентом, и мембранные транспортеры тоже работают на натрии. Те обладатели натриевой энергетики, что были открыты первыми, обитают в экстремальных условиях — при высокой температуре или в сильнощелочной среде, и замена протонов на натрий выглядит хорошей адаптацией к этим 3 Некоторые протон-изолирующие компоненты в мембранах бактерий и архей. Еще больше экзотических липидов можно увидеть по ссылке http://aem. asm.org/content/73/19/6181/F1.expansion.html Археи Алкалофильные бактерии Ацидофильные бактерии 4 Схема эволюции мембран и мембранной энергетики (Mulkidjanian et al., Biol. Direct», 2008, 3, 13. doi:10.1186/1745-6150-3-13). Сплошными линиями показаны мембраны, непроницаемые для протонов, пунктирами — непроницаемые для натрия, точечной линией — проницаемая для всех ионов металлов и протонов мембрана общего предка добавляют в них разные специальные липиды («Progress in Lipid Research», 2001, 40, 299–324. doi: 10.1016/S01637827(01)00009-1, «Advances in Microbial Physiology», 2005, 50, 227—259, doi: 10.1016/S0065-2911(05)50006-7). Наиболее распространены у бактерий дополнительные липиды с разветвленными концами жирных кислот. У некоторых гипертермофилов, таких, как Bacillus acidocaldarius, на концах жирных кислот есть еще более объемные циклогексановые кольца. Многие группы алкалофильных (живущих в щелочных условиях) бактерий содержат в мембранах терпеновый углеводород сквален. Ацидофильные бактерии, живущие в среде с pH ниже 1, используют плоские циклические терпены — гопаноиды, отдаленно напоминающие стеролы эукариот. Наконец, у архей для создания протононепроницаемых мембран в дело идут дифтаниловые липиды — продукты восстановления двойных связей в обычных терпеновых липидах архей, кроме того, концы гидрофобных хвостов липидов двух сторон мембраны могут сшиваться. Таким образом, естественно предположить, что сначала у прокариот существовали более простые по составу мембраны, не пропускающие натрий, а протононепроницаемость возникла позже. Однако протонный энергетический цикл имеет важное преимущество по сравнению с натриевым: перенос протонов через мембрану легко сопрягается почти с любой окислительно-восстановительной реакцией. Протон-движущие комплексы электрон-транспортной цепи гораздо разнообразнее, чем натриевые. Например, натриевые электрон-транспортные цепи не работают с молекулярным кислородом. Зато существуют не окислительновосстановительные натриевые насосы, например пирофосфатазные и декарбоксилазные, что означает возможность мембранной энергетики без электронтраспортных цепей. Биогенез Подводим итоги: общий предок бактерий и архей имел примитивные мембраны, вероятнее всего — с однохвостыми липидами из терпенового спирта и полярной головки, без глицерина. Мембраны пропускали протоны и ионы металлов, но задерживали белки и РНК, поэтому для управляемого выделения белков во внешнюю среду возникли системы секреции. После разделения линий бактерий и архей у тех и других независимо появились мембраны из липидов с двумя гидрофобными хвостами, непроницаемые для ионов металлов. Выход из геотермальных местообитаний в моря, с их высокой концентрацией натрия, потребовал создания систем откачки натрия из клеток. Так появились натриевые насосы, использующие энергию разных химических реакций. Затем в системе секреции белка застрял секретируемый продукт, превратив ее в Na-движущую АТФ-синтазу, и создаваемый химическими насосами натриевый градиент стал частично расходоваться на синтез АТФ. Это независимо произошло в линиях бактерий и архей. Далее, по мере освоения сильнокислых местообитаний, появились протононепроницаемые мембраны, а мутация Na-АТФ-синтазы превратила ее в протонную. Это позволило использовать ее для откачки лишних протонов из клетки за счет энергии АТФ. Другие прокариоты для той же цели — откачки протонов — приспособили комплексы дыхательной цепи. После этого горизонтальный перенос генов свел в одной клетке протон-движущие комплексы дыхательной цепи и протон-движущую АТФазу. Комплексы дыхательной цепи создавали более высокую разность потенциалов, поэтому протонная АТФаза заработала в обратном направлении — стала синтезировать АТФ (если взять два электрических генератора и соединить их проводами, тот из них, который давал меньшее напряжение, станет работать электродвигателем). Наконец, протонная энергетика благодаря разнообразию используемых окислительно-восстановительных реакций в значительной степени вытеснила натриевую, что мы и наблюдаем в современном мире. 29 «Химия и жизнь», 2013, № 9, www.hij.ru условиям. Однако затем были открыты бактерии с натриевой энергетикой в самых разных экологических нишах, включая морскую воду и кишечник животных. Некоторые бактерии имеют и натриевую, и протонную АТРазу, два типа комплексов электрон-транспортной цепи и при смене условиях могут переключаться с натриевой энергетики на протонную и обратно. На филогенетическом дереве АТРаз натрий-специфические ферменты занимают самые нижние ветви в обоих семействах — это говорит об их древности. Второй аргумент в пользу древности натриевой энергетики — устройство ион-связывающих сайтов с-субъединиц. Каждый натриевый сайт образован пятью аминокислотами, атомы кислорода которых точно окружают ион натрия, заменяя молекулы воды в его гидратной оболочке. Протонные сайты же устроены очень по-разному и похожи на поврежденные мутациями варианты натриевого сайта («Biology Direct», 2008, 3, 13. doi:10.1186/1745-6150-3-13). Третий аргумент следует из происхождения АТФазы от системы секреции: ее мембранные с-субъединицы тоже связаны друг с другом ионами натрия. Четвертый аргумент — состав мембранных липидов. Дело в том, что мембраны из липидов, описанных в начале, как у бактерий, так и у архей, не способны удерживать протонный градиент: протоны просачиваются через них, рассеивая энергию в тепло. Зато такие мембраны непроницаемы для ионов натрия. А чтобы мембраны задерживали протоны, бактерии и археи
