Биофизика - Владимиров Ю.А.
Скачать (прямая ссылка):
фосфорилирования.
А - донор электронов; В - акцептор электронов.
- гидролиз АТФ миозином, стала ясной центральная роль процессов синтеза и
распада АТФ в энергетике клетки. Окислительное фосфорилирование играет
ведущую роль в обеспечении клетки запасами АТФ - этого главного
аккумулятора химической энергии. Молекулярный механизм сопряжения реакций
окисления и фосфорилирования был расшифрован лишь в самое последнее время
благодаря работам П. Митчелла, получившего за них Нобелевскую премию в
1976 г.; автор разработал так называемую хемиосмотическую теорию
окислительного фосфорилирования. Большая заслуга в построении
экспериментального фундамента этой теории принадлежит советским ученым -
лауреатам Государственной премии СССР за 1975 г. Е. А. Либерману, В. П.
Скулачеву, Л. М. Цофиной.
Основная идея хемиосмотической теории может быть проиллюстрирована схемой
на рис. 4. Согласно этой схеме, донор водорода АН а (например, аскорбат)
окисляется переносчиком электронов (например, цитохромом с) у
27
внешней стороны "сопрягающей" мембраны (в митохондриях - это внутренняя
мембрана). При этом 2Н+ остаются по ту же сторону мембраны, где был АНг,
а два электрона переносятся через мембрану по дыхательной цепи и
посредством цитохромоксидазы передаются акцептору водорода В, т. е.
кислороду. Акцептор присоединяет два протона из внутренней фазы
митохондриального матрикса, превращаясь в окончательный восстановленный
продукт ВНг. Таким образом, перенос двух электронов по сопрягающему
участку дыхательной цепи сопряжен с созданием градиента концентрации
протонов - увеличением их концентрации с внешней и уменьшением - с
внутренней стороны мембраны.
Вторая часть теории Митчелла заключается в том, что в мембране существует
асимметричная АТФ-аза, которая работает обратимо, т. е. может быть и АТФ-
синтетазой:
АТФ-аза
АТФ + НОН АДФ + Ф + 2Н+.
АТФ-син-
тетаза
Асимметричность в действии АТФ-азы заключается в том, что протон Н+ и
гидроксил ОН" при гидролизе АТФ захватываются по разные стороны от
мембраны. Наоборот, при синтезе АТФ вода диссоциирует на ОН", поступающий
в более закисленную от мембраны сторону, и Н+, диффундирующий в
противоположную сторону (см. рис. 4). В целом процесс фосфорилирования
АДФ осуществляется за счет изменения свободной энергии при нейтрализации
иона ОН" в кислой среде, справа - иона Н+ в щелочной среде.
С точки зрения преобразования энергии процесс окислительного
фосфорилирования состоит из двух стадий.
1. Превращение химической энергии переноса электронов в энергию,
связанную с разностью электрохимических потенциалов (Арн+) протонов в
результате сопряжения переноса электрона по дыхательной цепи и переноса
протона через мембрану; при этом
АЙ(]+ = FA<f" + RT In ([H+],/[H+ls)t (1.28)
где Афм - разность электрических потенциалов между внешней и внутренней
сторонами мембраны митохондрий; IH+Ji и [НЧг-концентрации протонов в
окружающей среде и внутри митохондрий.
28
2. Превращение энергии, определяемой разностью электрохимических
потенциалов протонов, в химическую энергию макроэргической связи АТФ (~)
(сопряжение переноса 2Н+ и синтеза одной молекулы АТФ из АДФ и фосфата).
Эго условно можно изобразить в виде
Как показано в последние годы, при наличии разности электрохимических
потенциалов ЬП на сопрягающей мем-бране может совершаться не только
химическая работа (синтез АТФ), но и осмотическая работа при транспорте
различных соединений через мембраны, механическая ра-' бота (движение
жгутиков у бактерий), может выделяться тепло (теплорегулягорное
разобщение окислительного фэс-- форилирования).
Символически хемиосмотическая теория сопряжения -.процессов окисления (т.
е. переноса электронов - е) и фосфорилирования (синтез макроэргов - ~)
может быть представлена в виде схемы:
1 Д^|(+ ~ . (1.29)
Из этой схемы вытекают очевидные следствия, экспериментальное
подтверждение которых явилось доказательством хемиосмотической теории.
Основные следствия хемиосмотической теории следующие:
1. Если Арн* =0, то при переносе электронов не происходит синтез АТФ.
Поэтому вещества, индуцирующие протонную проницаемость мембран
(протонофоры), разобщают процессы окисления и фосфорилирования.
2. в -*¦ Афм, т. е. при работе дыхательной цепи происходит генерация
мембранного потенциала.
3. Афм -*¦ т. е. создание достаточного по величине электрического
потенциала на энергосопрягающей мембране со знаком "плюс" снаружи
приведет к синтезу АТФ из АДФ и ортофосфата.
4. Афм -*• е, т. е. за счет мембранного потенциала можно остановить и
даже "повернуть вспять" поток электронов в дыхательной цепи.
5. ~ -> Афм, т. е. при гидролизе АТФ на сопрягающей мембране происходит
генерация мембранного потенциала.
С точки зрения медицины важно, что многие патологические процессы в
организме (гипоксия, тиреотоксикоз,
29
авитаминоз Е и др.) сопровождаются разобщением окислительного
фосфорилирования в митохондриях, которое связано с нарушением барьерной
