36.11. Поток протонов служит движущей силой во многих процессах транспорта у бактерий

Симпорты и антипорты - эволюционно очень древние механизмы молекулярного транспорта. Так, движущей силой многих транспортных систем у бактерий служит поток протонов через плазматическую мембрану. Наиболее изученная бактериальная система симпорта - перенос лактозы у E. coli (рис. 36.14). У этой обитательницы нижних отделов кишечника млекопитающих выработался высокоэффективный механизм концентрирования лактозы. Насос для этого дисахарида, выделенный Юджином Кеннеди (Eugene Kennedy), представляет собой одиночную полипептидную цепь массой и называется пермеазойдля лактозы (или -белком). Это интегральный мембранный белок, который кодируется геном у, входящим в lac-оперон (разд. 28.3). В индуцированных клетках на его долю приходится около 4% белков мембраны.

Раскрытию механиза функционирования лактозного насоса способствовало изучение мутантов по гену у, а также исследования везикул (пузырьков), полученных из бактериальных мембран. Везикулы очень удобны для изучения процессов транспорта, поскольку они значительно проще устроены, чем целая бактерия.

Рис. 36.13. Электронная микрофотография поперечного среза микроворсинок кишечника. Наличие микроворсинок во много раз увеличивает площадь поверхности, через которую происходит транспорт питательных веществ. (Печатается с любезного разрешения д-ра G. Pallade.)

В везикулах есть система окислительного фосфорилирования и другие связанные с мембраной белки, но отсутствуют цитоплазматические компоненты интактной клетки. Сами по себе везикулы не накапливают лактозы, но если добавить субстрат окисления, обеспечивающий поток обладающих высоким потенциалом электронов по дыхательной цепи, то накопление лактозы имеет место. Этот же эффект можно получить и иным способом, а именно созданием градиента рН с помощью образуемой вне клеток кислоты. Создание мембранного потенциала градиентом концентрации К+ также приводит к насасыванию лактозы. Все эти данные показывают, что активный транспорт лактозы обеспечивается протонодвижущей силой в плазматической мембране. Транспорт молекул лактозы сопряжен с движением протона в клетку. При физиологических условиях протонный

Рис. 36.14. Пермеаза для лактозы транспортирует -галактозиды. в частности лактозу (А) и изопропилтиогалактозид (Б). Тиогалактозиды оказались очень удобными для изучения этой системы, так как они транспортируются пермеазой для лактозы, но не подвергаются гидролизу -галактозидазой.

градиент, необходимый для этого активного транспорта, возникает за счет потока электронов от донора, обладающего высоким потенциалом (например, NADH), по дыхательной цепи. Симпорт протонов и лактозы иллюстрирует обобщающую концепцию Питера Митчелла (Peter Mitchell) о «преобразовании энергии посредством протонного градиента» (разд. 14.18).