Синтез АТР

У який спосіб енергія концентраційного градієнта протонів перетворюється на енергію АТР? Як було вказано вище, кількість енергії, що вивільняється під час перенесення електронів та запасається у вигляді протонорушійної сили (приблизно 200 кДж при перерахунку на один “моль” електронних пар), більш ніж достатня для забезпечення синтезу одного моля АТР, що потребує приблизно 50 кДж (див. Додаток 13-1). Отже, процес окисного фосфорилювання у мітохондріях відбувається згідно принципів термодинаміки. Проте виникає інше питання – яким є хімічний механізм спряження процесів перенесення протонів та фосфорилювання?

Хеміосмотична модель, запропонована Пітером Мітчеллом, пояснює цей механізм. Згідно моделі (Рис. 19-17), енергія електрохімічного градієнта, який утворюється завдяки різниці у концентрації протонів та розділенню зарядів між двома сторонами внутрішньої мітохондріальної мембрани, тобто протонорушійна сила, використовується для синтезу АТР під час пасивного (за градієнтом) переміщення протонів назад у матрикс через протонну пору у молекулі АТР-синтази. Щоб підкреслити визначальну роль протонорушійної сили, рівняння синтезу АТР інколи записують у такий спосіб

ADP + P_i + n H⁺_P → ATP + H₂O + n H⁺_N (19-10)

Мітчелл назвав гіпотезу “хеміосмотичною”, оскільки вона грунтується на описі реакцій, які забезпечують одночасне протікання (спряження) хімічної реакції та транспортного процесу. На Рис. 19-18 представлено експериментальні криві, які пояснюють явище спряження. Якщо ізольовані мітохондрії суспендувати у буфері, що містить ADP, Р_і та окиснюваний субстрат, наприклад, сукцинат, то можна легко виміряти швидкість трьох процесів: (1) окиснення субстрату (утворення фумарату із сукцинату), (2) поглинання О₂, (3) синтезу АТР. Швидкість поглинання кисню та синтезу АТР залежатиме як від кількості окиснюваного субстрату (у даному випадку сукцинату), так і від кількості ADP та P_i.

Оскільки для синтезу АТР у мітохондріях використовується енергія субстратного окиснення, то слід очікувати, що під дією іінгібіторів перенесення електронів на О₂ (таких, як ціанід, монооксид вуглецю, антиміцин А) синтез АТР припиниться (Рис. 19-18а). Досить несподівано з’ясувалось, що правильним є і зворотне твердження: якщо синтез АТР припиниться, перенесення електронів в інтактних мітохондріях блокується. Обов’язковість спряження цих процесів можна довести, якщо ізольовані мітохондрії суспендувати у середовищі, що містить О₂ та окиснюваний субстрат, але позбавлене ADP (Рис. 19-18б). За таких умов не спостерігається ні синтезу АТР, ні перенесення електронів на О₂. Спряження окиснення та фосфорилювання можна також довести, використовуючи олігоміцин або вентуріцидин - токсичні антибіотики, здатні зв’язуватися з ATP-синтазою у мітохондріях. Ці сполуки однаково ефективно пригнічують як синтез АТР, так і рух електронів до О₂ через ланцюг переносників (Рис. 19-18б). Оскільки відомо, що олігоміцин безпосередньо взаємодіє не з переносниками електронів, а з АТР-синтазою, то можна зробити висновок про обов’язкове спряження процесів перенесення електронів та синтезу АТР; один без одного ці процеси не відбуваються.

Хеміосмотична теорія пояснює, чому синтез АТР у мітохондріях залежить від перенесення електронів. Якщо направлений у матрикс потік протонів через протонний канал ATP-синтази заблокувати (наприклад, олігоміцином), то протони не зможуть повертатися назад у матрикс, водночас тривале виштовхування протонів з матриксу, зумовлене активністю дихального ланцюга, генеруватиме значний протонний градієнт. Протонорушійна сила зростатиме, доки величина енергетичних витрат (вільної енергії) на відкачування протонів з матриксу проти цього градієнту не зрівняється, або не перевищить величину енергії, що вивільняється під час перенесення електронів від NADH на О₂. Якщо це трапиться, потік електронів припиниться; величина вільної енергії загального процесу перенесення електронів, спряженого з відкачуванням протонів, матиме нульове значення і система досягне рівноваги.

‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑

Дата добавления: 2015-08-18