Происхождение мембран и мембранной биоэнергетики

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