Энергия активации ферментативных реакций, протекающих в мембранах

Функционирование белков, связанных с мембраной, часто зависит от ло­кальной вязкости их липидного микроокружения. Активность многих мемб­ранных ферментов снижается при возрастании вязкости (снижении текучес­ти) липидов мембраны. Как обсуждалось в подразд. 8.4.1.1, ферментный белок должен иметь возможность изменять свою конформацию во время катализа. Для этого нужно, чтобы могли перемещаться и окружающие его молекулы липидов. Если липидная фаза обладает низкой вязкостью, то изменения конформации фермента не требуют больших затрат энергии. При высокой вязкос­ти липиды необходимо локально расплавить, для чего требуется дополнитель­ная энергия. Температура плавления липидов должна устанавливаться на та­ком уровне, при котором поддерживается их оптимальная текучесть в физио­логическом диапазоне температур. Следует, однако, помнить, что текучесть мембраны не должна быть чрезмерной, так как в слишком жидком липидном бислое может произойти дезинтеграция многокомпонентной системы.

Связь температурной зависимости активности локализованного в мембране фермента с температурой плавления липидного бислоя мембраны может быть продемонстрирована с помощью графика Аррениуса — зависимости логариф­ма константы скорости ферментативной реакции от обратной величины абсо­лютной температуры 1/Т (рис. 8.26).

Рис. 8.26. Кривые Аррениуса (зависимость логариф­ма константы скорости реакции от величины, об­ратной абсолютной температуре) для локализо­ванного в мембране фермента (по П.Хочачка, Дж. Сомеро, 1988, с изменениями).

Точки перегиба на кривых (Т_пл) отражают температуры фазовых переходов мембранных липидов. У организмов, адаптированных (акклимированных) к холоду (1), фазо­вый переход липидов происходит при более низкой тем­пературе, чем у организмов, адаптированных к теплу (2). Различия в температурах фазовых переходов связаны с раз­личиями в липидном составе их мембран, например, в степени ненасыщенности жирных кислот или в длине ацильных цепей и т.д. Из наклона отрезков прямых линий можно рассчитать энергии активации Е_а ферментативной реакции выше и ниже температуры фазового перехода

Такая зависимость выражается отрезком прямой линии, так как

что следует из уравнения (8.3). Точки перегиба на графиках отражают измене­ния свойств липидов. При температуре фазового перехода наклон прямой ли­нии резко меняется. Из наклона для данного температурного диапазона может быть рассчитана энергия активации ферментативной реакции. При температу­рах более низких, чем температура фазового перехода, энергия активации выше, так как для конформационных изменений белка необходимо дополнительно разорвать некоторые слабые химические связи в липидах, находящихся в гелеобразном состоянии. При температурах более высоких, чем температура фазового перехода, липиды находятся в жидкокристаллическом состоянии и тре­буется меньше энергии для конформационных изменений белка. При акклимации к холоду происходит сдвиг точки перегиба на графиках, отражающий смещение температуры фазового перехода к более низким значениям. Это свя­зано с изменением химического состава мембраны — с включением в состав липидов ЖК, имеющих меньшее число углеродных атомов и большее число ненасыщенных связей. Повышение устойчивости к теплу обусловлено возрас­танием вязкости (снижением текучести) липидного бислоя и стабилизацией взаимодействий между компонентами мембран.

Тепловые повреждения приводят к дезорганизации процессов, протекаю­щих в мембранах. В частности, в тилакоидах нарушается механизм переноса энергии: блокируется перенос энергии от хлорофилла а к хлорофиллу b и из­меняется распределение энергии между ФСII и ФС1. В этих условиях возрастает флуоресценция хлорофилла, что объясняется следующим образом. Свободный хлорофилл флуоресцирует очень сильно. В интактных хлоропластах флуорес­ценция низка, так как энергия возбуждения хлорофилла улавливается реакци­онными центрами. Наблюдаемые in vivo при тепловом воздействии усиление флуоресценции и тесно коррелирующее с ним подавление фотосинтеза связа­ны с распадом хлорофилл-белковых комплексов и переходом хлорофилла в свободное состояние (рис. 8.27).

Рис. 8.27. Влияние температуры выращивания и температуры проведения эксперимента на скорость фотосинтеза при нелимитирующем освещении 04) (по Bjorkman et al., 1980) и интенсивность флуоресценции листьев (Б) (по Raison et al., 1980) у Nerium oleander.

Растения были акклимированы к 20 и 45 °С. Скорость фотосинтеза выражена в наномолях по­глощенного СО₂ на 1 см² поверхности листа в 1 с

Температурный диапазон, в котором происхо­дит усиление флуоресценции и снижение скорости фотосинтеза, зависит от того, к какой температуре были акклимированы или адаптированы растения. Пустынные растения сверхустойчивы к высоким температурам. Они характе­ризуются также высокой термоустойчивостью процесса фотосинтеза и термо­стабильностью тилакидных мембран, что в первую очередь связано с особен­ностями химического состава и структуры их липидного бислоя.

Дата добавления: 2015-07-14