Хемиосмотическая теория Митчелла

Объяснение механизмов сопряжения работы дыхательной цепи и синтеза АТФ было предложено английским биохимиком Питером Митчеллом в 1961 году, которое затем нашло экспериментальное подтверждение в работах многих исследователей.

За изобретение механизмов окислительного фосфорилирования П. Митчелл в 1978 году получил Нобелевскую премию в области химии («За вклад в понимание процесса переноса биологической энергии, сделанный благодаря созданию Хемиосмотической теории»).

Основными постулатами теории Митчелла является следующее:

  1. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ионов и малых молекул (за исключением молекул воды);
  2. Дыхательная цепь работает как «насос», что скачивает протоны из матрикса в межмембранное пространство – движение 2 электронов от субстрата на кислород приводит к переносу 8-10 Н+ (протоны транспортируются через I, III и IV комплексы) через мембрану;
  3. Работа дыхательной цепи создает электрохимический градиент протонов (Н+), так как они свободно через внутреннюю митохондриальную мембрану вернуться в матрикс не могут и будут накапливаться в межмембранное пространство; Н+ – это промежуточная форма хранения энергии окисления субстратов;
  4. Энергию протонного градиента использует Н+ – АТФ-синтаза (V комплекс) для синтеза АТФ, когда через одну из ее субъединицу протоны возвращаются в матрикс;
  5. Существуют соединения – разъединители окислительного фосфория, которые нарушают электрохимический градиент протонов и снижают эффективность работы Н+ АТФ-синтазы.

Протонная АТФ-синтаза – это олигомерный белок, встроенный во внутреннюю мембрану митохондрии и по строению напоминает гриб. Она содержит две субъединицы:

  • Fo – протонный канал (в – от «олигомицин»); только через этот канал протоны могут вернуться в матрикс;
  • F1 – фермент, который использует энергию, которая высвобождается при транспорте протонов через Fo для синтеза АТФ из АДФ и Фн.

П. Митчелл в своей теории теоретически отдал функцию сопряжения окисления и фосфорилирования именно Н+ АТФ-азу. Экспериментальное подтверджение этот факт нашел в трудах Джона Уокера и Пола Бойера, которые за «Выяснение энзимного механизма, лежащего в основе синтеза аденозин-фосфата» в 1997 году получили Нобелевскую премию по химии.

На сегодня известно, что при транспорте протонов через Fo-субъединицу происходят конфирмационные изменения в активном центре F1-субъединицы, которые приводят к ее активации и соответственно синтеза АТФ и ее высвобождение. Молекулы АТФ, которые синтезируются и транспортируются в цитозоль с помощью транслоказы.

Для синтеза молекулы АТФ, ее высвобождения и транспорта в цитозоль нужна энергия 4 протонов (40% этой энергии идет на синтез АТФ, 60% выделяется в виде тепла).

Количество молекул неорганического фосфата, которое перешло в связанную форму (то есть в АТФ) в пересчете на один атом кислорода называется коэффициент окислительного фосфорилирования и обозначается Р/O (коэффициент фосфорилирования).

Коэффициент Р/O численно равен количеству молекул АТФ, синтезировались в результате транспорта 2 на один атом кислорода. Поэтому для субстратов, которые окисляются под действием НАД-зависимых дегидрогеназ Р/O = 3 (например, для пировата, кетоглутарата, изоцитрата, малата). Для субстратов, которые окисляются с помощью ФАД-зависимых дегидрогеназ, этот коэффициент равен 2 (например, для сукцината, ацил-КоА, глицерил-3-фосфата).

Согласно этой теории, перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается скачиванием протонов с матрикса через внутреннюю мембрану в водную среду межмембранного пространства.

Предполагают, асимметрично расположенные в мембране компоненты дыхательной цепи образуют три петли, которые переносят через мембрану протоны, то есть служат протонной помпой. С каждой парой электронов, передаваемых от субстрата к кислороду, эти три петли транспортируют из матрикса митохондрий шесть протонов (по новым данным, не менее 9).

Таким образом, энергия, которая выделяется при переносе электронов, затрачивается на перекачку ионов Н+ против градиента концентрации.

Вследствие скачивания ионов Н+ с матрикса внутренняя сторона внутренней мембраны митохондрий становится электроотрицательной, а внешняя – электроположительной, то есть возникает градиент концентрации ионов водорода: меньше в матриксе и больше – во внешней водной фазе. Суммарный электрохимический протонный потенциал обозначается Н+.

Он состоит из 2-х компонентов: Н = рН и V.

Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ионов Н+, а также ионов ОН, К+, Na+, СI, но мембранный белок Fo АТФазы образует канал, по которому ионы Н+ возвращаются в матрикс по градиенту концентрации, свободная энергия, которая при этом выделяется, используется F1-компонентом АТФ фазы для синтеза АТФ из АДФ и Фн.

Author: Олександр
Фанат своєї справи і просто крутий чувак.