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:
Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ионов и малых молекул (за исключением молекул воды); 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; 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; Энергию протонного градиента использует Н+ — АТФ-синтаза (V комплекс) для синтеза АТФ, когда через одну из ее субъединицу протоны возвращаются в матрикс; 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.
(Пока оценок нет)Сочинение по литературе на тему: Хемиосмотическая теория Митчелла
Хемиосмотическая теория Митчелла