Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

16.3. Хемиосмотическая гипотеза о сопряжении процессов дыхания и фосфорилирования

Хемиосмотическая гипотеза Митчелла получает все новые и новые экспериментальные подтверждения. По-видимому, дальнейшее развитие наших представлений о механизме сопряжения процессов дыхания и фосфорилирования и понимание молекулярных

Рис. 39. Схема комплексов ферментов цепи дыхания и фосфорилирования во внутренней h мембране митохондрий [154а].

механизмов этих процессов будет происходить на основе этой гипотезы. Поэтому изложим более подробно основные положения гипотезы Митчелла.

Хемиосмотическая гипотеза относится к той стадии окислительного фосфорилирования, которая начинается электронным транспортом в дыхательной цепи и заканчивается синтезом молекул АТФ.

Основное предположение гипотезы Митчелла сводится к утверждению, что при переходе каждой пары электронов через ферменты дыхательной цепи от молекул НАД • Н к кислороду через мембрану митохондрий из матрикса наружу перемещаются шесть протонов, а внутри матрикса остаются шесть ионов ОН-. Перенос протонов осуществляется тремя циклами так, что пара электронов пересекает мембрану в обоих направлениях три раза. При каждом цикле из матрикса извлекается два протона (рис. 39).

Согласно хемиосмотической гипотезе, в сопрягающих мембранах отсутствует прямая связь ферментов дыхательной цепи с ферментами фосфорилирования. Поэтому их можно исследовать раздельно. Сопряжение дыхания и фосфорилирования осуществляется через мембрану.

При переносе протонов через мембрану она переходит в энергетизованное состояние, обусловленное возникшими градиентом концентрации протонов и разностью электрических потенциалов поперек мембраны. При переходе сопрягающей мембраны в энергетизованное состояние возникают силы, стремящиеся возвратить протоны обратно в матрикс. Под влиянием этих сил протоны проходят по каналу фермента из внешней области к ферменту расположенному на внутренней стороне мембраны. Энергия перемещения двух протонов используется этим ферментом для синтеза одной молекулы АТФ в матриксе.

Протонный градиент сопрягающей мембраны используется также натриевым насосом мембраны, перемещающим ионы натрия наружу в обмен на протоны, движущиеся внутрь матрикса. Такой обмен ионами одинакового знака осуществляется только под влиянием разности концентраций протонов. Электрическое поле мембраны

облегчает движение протонов и затрудняет движение ионов натрия. Равновесие наступает, когда градиент концентрации ионов натрия становится равным градиенту концентрации протонов, поддерживаемым внешним источником — дыханием.

Протонный градиент сопрягающей мембраны используется также для переноса молекул АДФ и неорганического фосфата в матрикс митохондрии и извлечения из него молекул АТФ. Неорганический фосфат входит в матрикс под влиянием электрического поля мембраны в виде отрицательного иона. Молекулы АДФ и АТФ находятся в клетке в состоянии ионов: АДФ3- и АТФ4-. Следовательно, переход АДФ3- внутрь матрикса и вынос ионов АТФ4-эквивалентен перемещению через мембрану из матрикса одного отрицательного заряда или перемещению внутрь матрикса одного положительного заряда.

Хотя детали молекулярных механизмов указанных выше процессов еще не установлены, многие качественные предположения хемиосмотической гипотезы получили экспериментальное подтверждение.

Активный транспорт протонов во внешнюю среду удалось наблюдать при изменении концентрации кислорода в водной суспензии митохондрий, содержащей источники электронов для дыхания (окисления), но не содержащей кислорода в начальный момент. При импульсной подаче кислорода в раствор величина pH быстро возрастает, что указывает на увеличение концентрации протонов. При прекращении подачи кислорода протоны медленно возвращаются назад и мембрана переходит в невозбужденное состояние. Выравнивание концентрации протонов внутри и вне митохондрий происходит значительно быстрее, если в раствор добавить прогонные ионофоры, увеличивающие проницаемость мембран для протонов (см. п. 13.2).

С протонными ионофорами биохимики познакомились при изучении веществ, вызывающих прекращение процесса синтеза молекул АТФ без нарушения процесса дыхания, т. е. окисления углеводов и жиров. В 1948 г. Лумис и Липпман показали, что таким свойством обладают молекулы динитрофенола. Эти молекулы были названы разобщителями, так как они нарушали связь дыхания с фосфорилированием. Позднее было установлено, что все молекулы-разобщители являются протонными ионофорами. Хемиосмотическая гипотеза дает простое объяснение процессу разобщения. Протонные ионофоры, увеличивая проницаемость мембран для протонов, уменьшают градиент концентрации протонов на мембране, что и ведет к прекращению синтеза молекул АТФ, поскольку ферменты могут выполнять такой синтез только при использовании энергии протонного градиента.

В противоположность химической и конформационной гипотезам о механизме сопряжения дыхания и фосфорилирования, требующим

непосредственного взаимодействия ферментов этих двух систем, хемиосмотическая гипотеза исходит из представления о независимости их действия и возможном пространственном их разделении.

Процессы, протекающие в дыхательной цепи митохондрий, можно разделить на три стадии.

1. Окисление молекулы НАД • Н молекулой убихинона Q (осуществляется молекулой FMH и пятью железосерными молекулами ).

2. Окисление восстановленной молекулы убихинона QH феррицитохромом с (осуществляется двумя цитох ромами b, одпой железосерной молекулой и цитохромом ).

3. Окисление ферроцитохрома с кислородом (осуществляется цитохромами а и и двумя белками, содержащими атомы меди).

На каждой из этих стадий через мембрану из матрикса переносятся на внешнюю сторону мембраны два протона. В такой дли-гельпой последовательности окислительно-восстановительных реакций пара электронов совершает три последовательных приближения к внешней и внутренней поверхности мембраны (см. рис. 39). Согласно Митчеллу, в таком перемещении электронов в мембране митохондрий существенную роль играют иодвижные молекулы убихинона, которые при участии цитохромов, проходя через стадии ОНа совершают круговое движение от одной поверхности мембраны к другой. Это движение Митчелл назвал Q-циклом [154].

Дыхательная цепь в цитоплазматических мембранах бактерий более простая. Так, в дыхательной цепи цитоплазматических мембран бактерий E-coli отсутствует Q-цикл. Каждая пара электронов, пройдя через дыхательную цепь, выделяет во внешнюю среду только четыре протона. В этих бактериях процесс дыхания также иачииается молекулой НАД • Н. Однако ее два атома водорода передаются не молекуле ФМН, а молекуле флавинадениннуклеотида (ФАД). Молекула ФАД, подобно молекуле ФМН, свнзана с белком, пересекающим всю мембрану. Через этот белок два атома водорода переносятся к внешней поверхности мембраны. Там протоны освобождаются, а электроны переходят к двум молекулам железосерных белков, которые переносят их на внутреннюю поверхность мембраны и передают молекуле убихинона. Последняя, захватив два протона из внутренней среды клетки и перейдя в восстановленную форму, перемещается к внешней стороне мембраны. На внешней стороне мембраны молекула передает два электрона цитох ромам b, а два протона выделяются во внешнее пространство. От цитохромов b два электрона через цепь других цитохромов переносятся внутрь клетки к атому кислорода и вместе с двумя протонами образуют молекулу воды.

Таким образом, в мембране бактерии E-coli два электрона пересекают мембрану дважды в каждом направлении.

Ферменты АТФ-фазы, образующие комплекс одинаковы в мембранах бактерий и сопрягающих мембранах митохондрий. Молекулярный механизм синтеза молекул АТФ комплексом ферментов не известен. Один из возможных механизмов предложен Митчеллом. Предполагается, что к активному центру фермента присоединяется фосфатная группа. Два протона, перемещаясь по каналу фермента под действием градиента концентрации протонов и достигая фермента освобождают фосфатную группу, переводя ее в реактивное соединение, которое вместе с молекулой АДФ образует молекулу АТФ. Некоторые ученые считают, что протоны, достигая фермента вызывают его конформационное изменение, которое и обеспечивает синтез молекул АТФ.

При наличии в мембране протонных ионофоров происходит выравнивание концентрации протонов, при которой энергия, полученная ими в процессе окисления углеводов и жиров, переходит в тепло, а синтез молекул АТФ прекращается.

Для подтверждения хемиосмотической гипотезы необходимо показать, что градиент протонов, создаваемый на сопрягающих мембранах, является хорошим промежуточным звеном между процессом дыхания и фосфорилирования. Согласно хемиосмотической гипотезе, при синтезе одной молекулы АТФ расходуется два протона. Каждый протон, пересекая мембрану, выделяет энергию, равную электрохимическому потенциалу мембраны, т. е. около 5,3 ккал/моль (0,23 эВ). Следовательно, два протона выделяют 10,6 ккал/моль энергии. Достаточно ли этой энергии для синтеза одной молекулы АТФ в матриксе митохондрии? Правильный ответ на этот вопрос должеп учитывать зависимость энергии синтеза молекулы АТФ от окружающей среды, в которой происходит синтез. При синтезе молекулы АТФ в цитоплазме клеток требуется около 12,5 ккал/моль (см. п. 15.1). Однако при синтезе молекулы АТФ в матриксе митохондрий из-за высокой концентрации молекул АДФ и неорганического фосфата требуется менее 10 ккал/моль анергии.

Выигрыш в энергии синтеза молекул АТФ в матриксе митохондрий компенсируется проигрышем около 4 ккал/моль энергии при перенесении молекул АТФ в цитоплазму клетки и молекул АДФ и неорганического фосфата из цитоплазмы в матрикс. Таким образом, для синтеза молекулы АТФ в матриксе и ее выноса в цитоплазму требуется энергия, которая выделяется при пересечении мембраны тремя протонами, т. е. около 16 ккал/моль.

Для изучения механизма работы ферментов, входящих в состав биологических мембран, исключительно большое значение имеют методы, развитые в 1971 г. в Корнельском университете учеными Кагава и Геккером, позволяющие включать в искусственные фосфолипидные

мембраны липосом определенные типы белков, входящих в состав естественных мембран. Как отмечалось выше, при включении белков в мембраны липосом за их внешней поверхности оказываются те белки, которые в естественных мембранах расположены на внутренней стороне.

В первых экспериментах Кагава и Реккер включали в мембраны липосом комплексы ферментов извлеченные из митохондрий. Как и следовало ожидать, в этом случае выступы ферментов располагались на внешней поверхности мембран липосом, а не на внутренней. При расщеплении молекул АТФ ферментом протоны транспортировались внутрь пузырьков, в соответствии с хемиосмотической гипотезой.

Используя тот же метод, Гинкел с сотрудниками в Корнельском университете включали в мембраны липосом отдельно каждый из трех комплексов ферментов цепи дыхания, которые, согласно хемиосмотической гипотезе, переносят по два протона на внешнюю поверхность сопрягающих мембран митохондрий. Добавляя в суспензии приготовленных таким образом липосом соответствующие окислители и восстановители , они обнаружили, что каждый из этих комплексов вызывает транспорт протонов, приводящий к возникновению градиента протонов и разности электрических потенциалов на поверхностях мембран липосом [154 а].

Реккер и Штоекениус в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе включали в фосфолипидные мембраны липосом комплекс ферментов ответственных за синтез АТФ в митохондриях, и протонные насосы (молекулы бактериородопсина), извлеченные из галобактерий, живущих в соляных озерах (см. п. 17.7). Протонные насосы этих бактерий создают на мембранах протонные градиенты под действием света. Как и следовало ожидать, освещение липосом, содержащих искусственную комбинацию комплексов извлеченных из митохондрий, и протонных насосов, взятых из галобактерий, приводило к синтезу молекул АТФ.

Изложенные результаты экспериментов с большой убедительностью показывают, что ферменты АТФ-азы и дыхательной цепи действуют в некотором смысле независимо и что для синтеза молекул АТФ комплексом ферментов необходимо и достаточно наличие градиента концентрации протонов на сопрягающей мембране.

Таким образом, качественные предсказания хемиосмотической гипотезы Митчелла получили убедительное экспериментальное подтверждение, хотя не все детали окислительного фосфорилирования уже выяснены и нет никаких удовлетворительных объяснений механизма протекающих явлений на молекулярном уровне.

Несмотря на то что удается выделить ферменты фосфорилирования отдельные ферменты цепи дыхания и некоторые

их комплексы, имеется еще мало данных об их пространственной структуре и организации соответствующих комплексов. Без таких данных трудно надеяться на создание молекулярных теорий функционирования этих биологических объектов.

Несомненно, гипотеза Митчелла, дающая качественное описание явлений окислительного фосфорилирования, оказалась весьма полезной, так как стимулировала и, по-видимому, будет стимулировать в дальнейшем теоретические и экспериментальные исследования важных явлений энергообеспечения биологических процессов.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление