В современном понимании окислительным фосфорилированием называется процесс образования АТФ при переносе электронов и протонов по дыхательной цепи по уравнению.

 

Этот процесс был открыт в 30-х гг XX в. русским ученым В.А. Энгельгардтом. Изучая интенсивность дыхания митохондрий голубя, он выяснил, что одновременно с поглощением кислорода происходит процесс образования фосфорных эфиров с участием неорганического фосфата (H3PO4), т.е. имеет место сопряжения дыхания с фосфорилированием.

 

В 1939 г. украинские ученые В.А. Белицер и Е.Т. Цибакова вывели соотношение P / O как показатель сопряжения дыхания и фосфоры-рования. В.А. Белицер (1940) установил, что при поглощении одного атома кислорода (или при переносе пары электронов от субстрата на кислород) поглощается три атома неорганического фосфата: коэффициент P / O или Р/2е- равна примерно 3. То есть в дыхательной цепи существует как минимум три пункта сопряжения или фосфорилирования, где неорганический фосфат участвует в образовании АТФ. Эти работы стимулировали поиск пунктов сопряжения, которые позже были установлены работами Б. Чанса, Е. Рекер, А. Ленинджер. Позже в исследованиях В.А. Белицера, А. Ленинджер, П. Митчелла, С.Е. Северина, В.П. Скулачева и других ученых было в значительной мере раскрыта сущность окислительного фосфорилирования.

 

Существует несколько гипотез для объяснения механизма этого процесса. Прежде всего - это гипотеза химического сопряжения, гипотеза хемиосмотич-ного сопряжения и гипотеза механохимической или конформационного сопряжения. Гипотеза химического сопряжения основывается на представлении, согласно которому передача энергии, выделяющейся в процессе переноса электронов по дыхательной цепи на АДФ с образованием АТФ, осуществляется через общие промежуточные соединения, содержащие макроэргических связь: есть по типу субстратного фосфорилирования. Но до сих пор не удалось доказать реальное существование и идентифицировать предполагаемые переносчики.

 

Наличие процесса окислительного фосфорилирования лишь в тех митохондриях, где сохранилась структура мембраны, увеличила интерес к двум другим гипотез.

 

Согласно гипотезе механохимической или конформационного сопряжения предполагалось, что энергия, высвобожденная в дыхательной цепи, используется непосредственно для перевода белков внутренней мембраны в новый, богатый энергию конформационный состояние, которое, в свою очередь, становится движущей силой окислительного фосфорилирования, что приводит к образованию АТФ (подобно процессов мышечного сокращения). Однако рассмотренные выше теории не могли объяснить, почему для окислительного фосфорилирования необходима целостность внутренней мембраны.

 

На сегодня серьезное экспериментальное обоснование получила теория хемиосмотичного сопряжения, разработанная английским биохимиком П. Митчеллом. Много для ее доказательства сделано русским ученым В.П. Скулачевым.

 

Ведущую роль в хемиосмотичний теории играют замкнутость и целостность внутренней спряжуючои мембраны митохондрий, при нарушении которых синтез АТФ прекращается. Было обращено внимание на то, что окислительно-восстановительные ферменты и коферменты, которые составляют дыхательную цепь, размещенные в определенной последовательности, векторно, образуя поперек внутренней мембраны петли и перекрестков (рис. 59). Это обеспечивает определенную направленность процессов в пространстве. Основным проявлением векторности в дыхательной цепи является опрокидывания ионов H + с внутренней стороны мембраны (со стороны матрикса) на внешнюю. Обратный переход H + невозможно, поскольку внутренняя мембрана для них непроницаема. Большинство ферментов дыхательной цепи достаточно прочно закреплены в липидно-белковой конструкции мембраны и не имеют контактов с ее внутренней и внешней сторонами. Первая же звено дыхательной цепи, которая связана с НАД-или ФАД-дегидрогеназы, находится на внутренней поверхности мембраны и имеет выход в матрикс. Сюда направлены их активные центры, к которым поступают из матрикса субстраты для дегидрирования. Атомы водорода от Надыме + Ы + увлекаются извне флавопротеидом, расположенным поперек внутренней мембраны, при этом электроны поступают на зализосирчаний белок, а Ы + выталкиваются наружу. Электроны передаются дальше по цепи. Последнее звено - цитохромоксидазы - также локализуется близко к внутренней поверхности мембраны, ее активный центр направлен в матрикс, куда и поступает молекулярный кислород.

 

Липидорастворим кофермент Q (убихинон) легко диффундирует с внутренней стороны мембраны (от матрикса) к внешнему и, отдавая электроны по цепи, является также переносчиком протонов из матрикса на наружную поверхность мембраны, т.е. в межмембранное пространство.

 

Считается, что энергия электронов, которая выделяется при их переносе по дыхательной цепи, перекачивает протоны из матрикса в межмембранное пространство, избегая накопления их внутри самой мембраны. При этом образуется так называемый протонный потенциал (разность концентраций Ы + по обе стороны внутренней мембраны), а следовательно - и электрохимический потенциал (заряженность), который затем используется в процессе фосфорилирования АДФ для образования АТФ. Поэтому внутренняя мембрана митохондрий не должна быть проницаемой для заряженных частиц и прежде всего для Ы + и OH-. Если бы мембрана была проницаемой для Ы +, они вернулись бы назад - в направлении меньшей их концентрации на левый бок мембраны (в матрикс). Энергия при этом выделилась бы в виде тепла. Это подтверждалось и тем, что при добавлении некоторых веществ (так называемых «разъединительных агентов»), которые резко повышают проницаемость внутренней мембраны для Ы +, происходило разъединение процессов тканевого дыхания с фосфорилированием и образования АТФ прекращалось. Примером может служить 2,4-динитрофенол. Эта липофильное вещество легко диффундирует через митохондриальную мембрану как в ионизированной, так и в неионизированной форме и, являясь источником Ы +, может переносить последние через мембрану в сторону их меньшей концентрации, что приводит к снятию протонного потенциала. В присутствии разъединителей (в том числе и природных, например, гормона тироксина), а также некоторых лекарственных средств (аспирин, дикую-Мароль и др.). Свободная энергия, выделяющаяся при переносе электронов, переходит в тепло и не запасается в виде АТФ. Потребление кислорода и окисление субстратов при этом продолжается, но синтез АТФ, конечно, невозможно. Поскольку энергия окисления при разъединении тканевого дыхания с фосфорилююванням рассеивается в форме тепла, то разъединители повышают температуру тела (пирогенная действие).

 

Все вышеперечисленные и другие факты имели важное значение для создания хемиосмотичнои концепции сопряжения тканевого дыхания с фосфорилированием.

 

По мнению Митчелла, энергия переноса электронов и протонов по дыхательной цепи сначала сосредоточивается в виде протонного потенциала или электрохимического градиента ионов H +, который образуется перекачкой ионов H + через мембрану (на определенных пунктах дыхательной цепи) с внутренней поверхности внутренней мембраны (со стороны матрикса) на ее наружную поверхность - в мижмембраний пространство. Иначе говоря, между водными фазами, разделенными внутренней мембраной, образуется разность концентраций H + (градиент концентрации H +) с более кислым значением pH извне. Одновременно поверхности мембраны заряжаются: внешняя - положительно за счет увеличения H +, а внутренняя - отрицательно за счет уменьшения концентрации H + и избытка OH-, т.е. образуется градиент электрического потенциала. Итак, цепь переноса электронов работает как протонный насос, перекачивая протоны из матрикса на внешнюю сторону мембраны. Как результат, между двумя сторонами мембраны возникает разность концентраций протонов и одновременно - разность электрических потенциалов со знаком плюс на наружной поверхности.

 

Таким образом, на внутренней мембране одновременно с градиентом концентрации протонов (ApH) возникает градиент электрического потенциала (Дф - дельта пси). Отсюда протонный потенциал, обозначается как A | H + (дельта мю Н +), равна их сумме:

 

A | H + = ApH + Дф.

 

Расчеты показали, что дыхательная цепь митохондрий при переносе двух протонов образует потенциал 0,25 В, из которого около 0,20-0,22 В приходится на Дф и 0,03-0,05 B - на ApH. Эти данные затем были подтверждены работами российских ученых В.П. Скулачева и Ю.А. Овчинникова в экспериментах с бактериородопсинном (см. ниже). Внутреннюю мембрану митохондрий можно сравнить с конденсатором, ее поверхности - с обкладками конденсатора, разделенные слоем изолятора - липидами.

 

Образован электрохимический потенциал заставляет протоны, при условии их избытка на внешней стороне мембраны, двигаться (по градиенту концентрации) в обратном направлении - с наружной поверхности - внутрь (в матрикс). Но мембрана непроницаема для них, за исключением специальных участков - протонных каналов, размещенных в ферментативном комплексе ^-АТФ-синтетазы, расположенной поперек внутренней мембраны, и которая имеет определенные пункты контактов как с межмембранном пространстве, так и с матриксом. Обратная диффузия H + в матрикс приводит к выравниванию разности концентраций H +, и происходит разрядка внутренней мембраны (исчезает электрический потенциал). Одновременно в активном центре фермента H + ^ ТФ-синтетазы происходит процесс окислительного фосфорилирования АДФ активным неорганическим фосфатом с образованием АТФ, т.е. энергия электрохимического потенциала трансформируется в химическую энергию макроэргических связей АТФ. Разность потенциалов в 0,25 В при обратном переносе двух протонов, является вполне достаточной для образования одной молекулы АТФ.

 

Так, при сопряжении тканевого дыхания с фосфорилированием создается непрерывный кругооборот ионов Ы + (зарядка и разрядка внутренней мембраны), так называемый протонный цикл (рис. 59). Поэтому хе-миосмотичну концепцию называют еще протонрушийною. Именно этот обратный поток протонов и является движущей силой для синтеза АТФ: протоны, проходя обратно через специализированную систему (комплекс Ы +-АТФ-синтетазы, который расходует энергию электрического поля для синтеза АТФ из АДФ и активной молекулы фосфата), способствуют тому, что энергия протонного потенциала накапливается в молекуле АТФ-этому универсальный биологический аккумулятор энергии.

 

Возвращение Ы + другими путями, вне протонными каналами комплекса Ы +-АТФ-синтетазы, в том числе и добавлением веществ, которые легко проникают в мембрану и отдают свой Ы + (т.е. разъединяют окисления с фосфорилированием), приводит к тому, что энергия выделяется в виде тепла. Таким образом, можно предположить, что тканевое дыхание заряжает митохондриальную мембрану, а окислительного фосфорилирования разряжает ее, используя энергию мембранного потенциала для синтеза АТФ. При этом тканевое дыхание осуществляет осмотическую работу (концентрируя протоны в мижме-мбранному пространстве митохондрий) и электрическую (образует разницу электрических потенциалов), которая используется Ы +-АТФ-синтет-зой для химической работы, то есть синтеза АТФ. Сочетание функций дыхания и фосфорилирования дало основание назвать гипотезу хемиосмо-ческого или протонрушийною, поскольку движущей силой фосфоры-рования является протонный потенциал.

 

В настоящее время хемиосмотична теория подтверждена большим количеством экспериментов, и можно считать, что именно она наиболее точно отражает организующий принцип окислительного фосфорилирования.

 

Российским ученым В.П. Скулачев, Ю.А. Овчинникову и их сотрудникам удалось непосредственно измерить величину электродвижущей силы, возникающей при освещении бактерий, содержащих ба-ктериородопсин. Бактериородопсина встраивали в фосфолипидных пленку, которая разделяла два отсека кюветы, заполненной раствором электролита. В Видисик погружали электроды. При освещении бактериородо-псину (вспышка лазера) на мембране возникала разность потенциалов около 0,25 В, достаточное для синтеза АТФ.

 

Однако некоторые детали не до конца понятны. До сих пор остается неизвестным механизм использования электрохимического потенциала Ы +-АТФ-синтетазой при синтезе АТФ. Большинство современных исследователей считает, что проблема окислительного фосфорилирования можно решить в рамках хемиосмотичнои теории Митчела. Она раскрывает основные принципы, дает общий подход к решению конкретных вопросов и механизмов энергетического сопряжения. Однако ученые подчеркивают, что не стоит сбрасывать со счетов и другие гипотезы, пользу которых при расшифровке и конкретизации механизмов энергетического сопряжения теории Митчелла может быть несомненной.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+