152

Топик к лекции
ХЕМИОСМОТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ.
ТРАНСМЕМБРАННЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПРОТОННЫЙ ГРАДИЕНТ
Слайд 1
Хемиосмотическая теория. Трансмембранный электрохимический
протонный градиент. Переход в АТФ.
Слайд 2
Хемиосмотическую гипотезу постулировал Питер Митчелл в 1961 г.
Электрохимический трансмембраннный потенциал ионов Н+ и является
источником энергии для синтеза АТФ за счет обращения транспорта ионов
Н+ через протонный канал мембранной Н+-АТФазы.
П. Митчел ввел понятие сопрягающей мембраны, непроницаемой для ионов
Н+. Он полагал, что в таких мембранах происходит сопряжение процессов
окисления, трансмембранного транспорта протонов и синтеза АТФ.
Он полагал, что
сопряжение переноса
электронов и синтез АТФ
обеспечиваются протонным градиентом.
За разработку хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования
П. Митчеллу в 1978 г. была присвоена Нобелевская премия.
Слайд 3
Теория Митчелла исходит из того, что переносчики перешнуровывают
мембрану, чередуясь таким образом, что в одну возможен перенос и
электронов и протонов, а в обратную только электронов. В результате ионы
Н+ накапливаются на одной стороне мембраны.
ЭТЦ митохондрий в соответствии с хемиосмотической теорией между двумя
сторонами
внутренней
митохондриальной
мембраны
в
результате
направленного движения протонов против концентрационного градиента
возникает электрохимический потенциал. Энергия запасенная таким образом,
используется для синтеза АТФ как результат разрядки мембраны при
обратном (по концентрационному градиенту) транспорте протонов через
АТФазу, которая работает в этом случае как АТФ-синтетаза.
Пара электронов, транспортирующаяся от НАДН к кислороду, извлекает из
матрикса 3 пары Н+, которые транслоцируются на наружную поверхность
мембраны, в результате образуется 3 молекулы АТФ.
Слайд 4
Экспериментальное подтверждение теории Митчела:
Американский биоэнергетик Эфраим Рэкер в 1973 г. получил мембранные
везикулы
(липосомы)
из
сои
и
встроил
в
них
хромопротеин
бактериородопсин из галофильной археи Halobacterium halobium, а также
АТФ-синтазу митохондрий сердца быка.
Регистрировались не только генерация мембранного градиента протонов, но
и синтез АТФ.
Дыхательная цепь и АТФаза – биохимически отдельные системы,
связываемые только протонным градиентом. (Страйер Л., 1985).
Слайд 5
2,4-динитрофенол подавляет синтез АТФ, но стимулирует синтез кислорода.
Митчел предположил, что такое действие 2,4-ДНФ связано с тем, что он
переносит протоны через мембрану и разряжает её.
ДНФ разобщает окислительное фосфорилирование путем разрушения
протонного градиента, засчет того что эти растворимые в липидах
соединения могут переносить протоны через внутреннюю мембрану
митохондрий.
Перенос
электронов
от NADH
к кислороду
в
присутствии
таких
разобщителей протекает нормально, но образование АТФ митохондриальной
АТФазой не происходит.
По своей химической структуре вещества, разобщающие окисление и
фосфорилирование, сходны в том, что, во-первых, они растворимы в
липидной фазе мембраны. Во-вторых, это слабые кислоты, т.е. легко
приобретают и теряют протон в зависимости от рН среды.
Слайд 6
ATP: универсальная или конвертируемая форма клеточной энергии в клетке
При синтезе 1 молекулы АТФ запасается 7,3 ккал/моль свободной энергии.
Слайд 7
Положения Теории Митчела:
1. ЭТЦ
функционирует
так,
что
на
мембране
возникает
электрохимический градиент ионов Н+;
2. Обратный ток ионов Н+ через протонный канал сопровождается
образованием энергии фосфатной связи АТФ.
Слайд 8
Преобразование энергии на сопрягающих мембранах связано с образованием
электрохимического протонного градиента.
Система трансформации энергии включает следующие компоненты:
• Замкнутая сопрягающая мембрана;
Непроницаемая для ионов. К сопрягающим относятся тилакоидная мембрана
хлоропластов,
внутренняя
мембрана
митохондрий
мембрана бактериальных клеток.
Слайд 9 - Bioc 460 Spring 2008 - Lecture 29 (Miesfeld)
Слайд 10
• Локализованная в мембране ЭТЦ;
и
плазматическая
В процессе фотосинтеза и дыхания реализация энергии света или
окисляемых субстратов в тилакоидной или дыхательной цепи неразрывно
связана с возникновением электронного транспорта в ЭТЦ. Перенос
электрона в фотосинтетической или дыхательной цепи неразрывно связан с
векторной траслокацией иона Н+ через мембрану против сил электрического
поля и в направлении большей концентрации.
Слайд 11 - Bioc 460 Spring 2008 - Lecture 29 (Miesfeld)
Слайд 12
▪
Трансмембранный
электрохимический
протонный
ΔμН+,
градиент
генерируемый работой цепи;
▪ АТФ-синтаза, катализирующая синтез АТФ из АДФ и Фн за счет энергии
ΔμН+.
Слайд 13
Трансмембранный
электрохимический
протонный
градиент
и
его
составляющие.
Протон движущая сила(∆ρ) или Δμ Н+ состоит из двух компонентов:
• Градиент ∆рН, т.е. разность концентрации ионов Н+ по обе стороны
мембраны;
• Мембранного потенциала ∆ψ, созданного избытком положительного
заряда на одной стороне мембраны и отрицательной – на другой.
∆ρ=Δμ Н+ /F= ∆ψ-59∆рН [мВ]
Следует подчеркнуть, что, хотя одна сторона мембраны заряжена более
положительно по отношению к другой, основной раствор остается в целом
электронейтральным, т.е. содержит равное число катионов и анионов. Дело в
том, что число «лишних», несбалансированных ионов, формирующих слой
заряда на мембране, ничтожно мало в сравнении с общим числом ионов в
растворе.
Слайд 14
рН с наружной стороны на 1,4 единицы ниже, чем с внутренней, и
мембранный потенциал составляет 0,14 В, причем наружная сторона несет
положительный заряд.
Общий электрохимический потенциал ∆ρ(в вольтах):
∆ρ=∆ψ – RT/F ∆рН = ∆ψ – 0,06 ∆рН = 0,14-0,06(-1,4) = 0,224 В.
В приведенном ниже уравнении
R-газовая постоянная,
T-абсолютная температура,
F-число Фарадея.
Общая протондвижущая сила в 0,224 В соответствует свободной энергии 5,2
ккал в расчете на 1 моль протонов.
Слайд 16
Дыхательный контроль
Зависимость митохондриального окисления (дыхания) от концентрации АДФ
получила название дыхательного контроля.
Для
количественной
оценки
энергетического
состояния
клетки
Д.Аткинсоном введен расчет энергетического заряда системы АТФ-АДФАМФ по уравнению
Энергетический заряд=1[АДФ]+2[АТФ]/2[АМФ]+[АДФ]+[АТФ]
Если все содержащиеся в клетке АТФ, то система «заполнена» и ее
энергетический заряд равен 1,0.
Если аденозинфосфаты находятся в форме АМФ, то система не содежит
высокоэнергет. связей и её заряд равен 0.
При отсутствии потребности в синтезе АТФ переноса электронов от
топливных молекул на кислород не происходит.
Только после добавления АДФ начинается как дыхание, так и синтез АТФ
митохондрий.
Часть свободной энергии (более 50%), которая не кумулируется в форме
макроэргов (АТФ), освобождается в виде теплоты и у теплокровных
животных используется для поддержания температуры тела.
Слайд 17
Специфическое ингибирование тока электронов.
Ротенон и амитал специфически ингибируют перенос электронов в NADH-Q
– редуктазном комплексе и таким образом предотвращают генерирование
протонного градиента в 1-м пункте. В то же время указанные ингибиторы
нарушают окисление сукцината, поскольку электроны этого субстрата
поступают в цепь переноса электронов после блока кофермента Q.
Антимицин А тормозит ток электронов между цитохромами b и c1,
предотвращая синтез АТФ, сопряженный с генерированием протонного
градиента во 2-м пункте. Этот блок можно обойти добавлением аскорбата,
который непосредственно восстанавливает цитохром с к кислороду с
одновременным синтезом АТФ, сопряженным с протонным градиентом в 3-м
пункте.
Наконец,
ток
электронов
может
быть
блокирован
между
цитохромоксидазным комплексом и кислородом под действием цианида,
азида и оксида углерода. Цианида и азид реагируют с ферриформой этого
переносчика, тогда как оксид углерода ингибирует ферроформу. (Страйер Л.,
1985)
Слайд 18
Выводы
1. Первичным запасающим энергию актом является перенос протонов
через внутреннюю митохондриальную мембрану.
2. При отсутствии потребности в синтезе АТФ переноса электронов от
топливных молекул на О2 не происходит.
3. Протонные
градиенты
занимают
центральное
место
во
взаимопревращениях одного вида энергии в другой.
4. Окислительное фосфорилирование воплощает основную концепцию
биоэнергетики: передачу свободной энергии при помощи протонных
градиентов.
5. Перенос пары электронов к кислороду дает 220,2 кДж, а на синтез трех
молекул АТФ расходуется 93 кДж, примерно 42% свободной энергии
запасается в молекулах АТФ.