Хемиосмотическая гипотеза Митчелла

Каким образом осуществляется сопряжение между окислением НАДН и фосфорилированием АДФ? Для осуществления окислительного фосфорилирования необходимо наличие целостной внутренней митохондриальной мембраны. Митохондрии содержатся в цитоплазме всех аэробных эукариотических клеток и располагаются вблизи от структур, нуждающихся в АТФ, который является продуктом их жизнедеятельности, или же поблизости от источников клеточного топлива, в котором они сами нуждаются. Митохондрия ограничена двумя отдельными мембранами. Внешняя мембрана гладкая, внутренняя имеет нерегулярно чередующиеся складки – кристы. Внутренняя часть митохондрий называется матриксом. Каждая из частей мембраны содержит специфические ферменты. Внешняя мембрана содержит ферменты метаболизма жирных кислот, фосфолипидов и липидов, ферменты, удлиняющие цепи жирных кислот. Приблизительно 20-25% общего белка внутренней мембраны составляют белки ферментов, участвующих в функционировании системы переноса электронов и окислительного фосфорилирования – это флавопротеиды, цитохромы и ферменты, ответственные за образование АТФ. Флавопротеиды и цитохромы располагаются на мембране в виде отдельных групп таким образом, что каждая из групп представляет собой самостоятельно функционирующую единицу, содержащую в определенных молярных соотношениях все необходимые ферменты. Такие группы называют дыхательными ансамблями. Дыхательные ансамбли распределены на плоскости мембран. Компоненты дыхательной цепи непосредственно связаны с фактором фосфорилирования F₁ (фактор сопряжения). Ферменты цикла Кребса содержатся в матриксе.

Окислительное фосфорилирование является процессом, при котором выделение энергии при окислении субстрата сопряжено с синтезом АТФ. Для объяснения сопряжения окисления с фосфорилированием Митчеллом была выдвинута гипотеза. Он предположил, что сопряжение переноса электронов и синтеза АТФ обеспечивается протонным градиентом. Согласно этой модели, перенос электронов по дыхательной цепи приводит к выбросу протонов из матрикса на цитоплазматическую сторону внутренней митохондриальной мембраны, где возрастает концентрация протонов Н⁺. Возникает электрохимический градиент протонов в мембране. Этот градиент состоит из двух составных частей – разницы в концентрации водородных ионов (рН) и разницы в электрических потенциалах. Энергия этого градиента является движущей силой процесса синтеза АТФ, в ходе которого происходит обратное перемещение протонов по направлению градиента.

При переносе водорода на кислород каждая пара электронов, акцептируемых от субстрата, трижды пересекает мембрану туда и обратно и каждый раз выводит 2 протона. Первый переход осуществляется через восстановленный флавинмононуклеотид –QH₂.

Общее число протонов, переносимых при восстановлении КоQ, равно 4. Каждая молекула QH₂ отдает электрон цитохрому с₁. Далее электрон по компонентам дыхательной цепи – цитохромам с и а передается терминальному цитохрому – а₃, который окисляется молекулой кислорода. При этом каждый атом кислорода принимает 2 электрона и присоединяет 2 протона, образуя молекулу воды. Таким образом, каждая пара электронов, переносимая от НАДН к кислороду, приводит к перемещению шести протонов от внутренней к внешней поверхности мембраны. Этот процесс завершается на стадии АТФазы (комплекс F₁–Fo), где каждые два перенесенных протона осуществляют синтез одной молекулы АТФ (рис.15).

Есть несколько гипотез о механизме синтеза АТФ комплексом (F₁–Fo). Согласно Митчеллу, фосфатная группа связывается ферментом, активный центр которого находится в F₁ части комплекса вблизи конца канала, по которому переносится протон. 2 протона переносятся по этому каналу под действием градиента рН и мембранного потенциала. Эти протоны атакуют один из кислородов фосфата, который отщепляется в виде молекулы воды. При этом фосфатная группа превращается в реакционноспособную частицу, способную реагировать с АДФ с образованием АТФ.

Рис.15. Дыхательная цепь митохондрий

Другая гипотеза заключается в том, что протоны вызывают изменения конформации белка вблизи активного центра, приводящие к синтезу АТФ. В активном центре такого фермента происходит самопроизвольное соединение АДФ и Фн. Образующаяся молекула АТФ остается связанной с ферментом и для ее отщепления необходимо затратить энергию. Энергия может быть получена в результате присоединения протона к ферменту с изменением его конформации.