Cтраница 1
Хемиосмотическая гипотеза дает объяснение ряду экспериментальных фактов. При освещении хлоропластов наблюдается иовышение рН раствора ( внутри тилакоида наблюдается подкис-ление), обратимое в темноте и чувствительное к ингибиторам электронного транспорта. Создание в темноте искусственного градиента протонов на мембранах тилакоидов сопровождается синтезом молекул АТФ. [1]
Хемиосмотическая гипотеза, сформулированная английским биохимиком Питером Митчеллом, исходит из совершенно иного, нового принципа. Постулируется, что перенос электронов сопровождается выкачиванием ионов Н из матрикса через внутреннюю митохон-дриальную мембрану в наружную водную среду. Синтез АТР, требующий затраты энергии, осуществляется именно за счет осмотической энергии, присущей этому градиенту. Можно думать, что именно хемиосмоти-ческая теория наиболее точно отражает организующий принцип окислительного фосфорилирования. Рассмотрим некоторые характерные особенности этого процесса, свидетельствующие в пользу хемиосмотической гипотезы. [2]
Хемиосмотическая гипотеза Митчелла получает все новые и новые экспериментальные подтверждения. [3]
Хемиосмотическая гипотеза относится к той стадии окислительного фосфорилирования, которая начинается электронным транспортом в дыхательной цепи и заканчивается синтезом молекул АТФ. [4]
Согласно хемиосмотической гипотезе, синтез молекул АТФ в тилакоиде осуществляется комплексом ферментов CF1 - F0, эквивалентным комплексу ферментов F1 - F0, входящему в состав сопрягающих мембран митохондрий. Ферменты CF1 находятся на внешней стороне мембраны тилакоида, образуя шишковидные выступы. Такое расположение обусловлено тем, что направление протонного градиента в тилакоидах противоположно направлению градиента протонов в мембранах бактерий и сопрягающих мембранах митохондрий. Интересно, что в липосомах, образованных в суспензиях из фрагментов мембран митохондрий, ферменты GFj выступают на внешней поверхности мембраны пузырьков так же, как и в естественных мембранах тилакоидов. [5]
Согласно хемиосмотической гипотезе, называемой также гипотезой Митчелла ( рис. 7.10), молекулы дыхательной цепи располагаются в мембране векторно и различные стадии электронного переноса ( от субстрата до кислорода) сопровождаются транспортом протонов наружу, что вызывает падение рН на внешней стороне мембраны по сравнению с внутренней. [6]
Согласно хемиосмотической гипотезе, в сопрягающих мембранах отсутствует прямая связь ферментов дыхательной цепи с ферментами фосфорилирования. [7]
Хотя хемиосмотическая гипотеза получила широкое признание в той своей части, которая касается главного организующего принципа передачи энергии от процесса переноса электронов к синтезу АТР в митохондриях, бактериальных клетках и хлоропластах ( гл. Пожалуй, больше всего споров порождает вопрос о механизме, при помощи которого перенос электронов, происходящий во внутренней мембране, вызывает откачивание ионов Н из матрикса митохондрии наружу. Основой его решения послужил тот факт, что восстановительные эквиваленты переносятся некоторыми переносчиками ( например, убихино-ном) в виде атомов Н, а другими ( например, железо-серными центрами или цитохромами) - в виде электронов. Митчелл предположил, что во-дородпереносящие и электронпереносящие белки чередуются в дыхательной цепи, образуя в ней три петли. Каждая пара восстановительных эквивалентов, прохода через такую петлю, переносит два иона Н из матрикса в окружающую среду. Предполагается, что каждая петля поставляет осмотическую энергию для образования одной молекулы АТР. [8]
Итак, хемиосмотическая гипотеза не требует никакого высокоэнергетического химического агента, который в качестве общего промежуточного продукта обеспечивал бы сопряжение между переносом электронов и синтезом АТР. Переносчиком энергии, связывающим два эти процесса, служит, согласно хемиосмотической гипотезе, градиент концентрации ионов Н между двумя сторонами митохондриальной мембраны. [9]
Для подтверждения хемиосмотической гипотезы необходимо показать, что градиент протонов, создаваемый на сопрягающих мембранах, является хорошим промежуточным звеном между процессом дыхания и фосфорилирования. Согласно хомиосмотической гипотезе, при синтезе одной молекулы АТФ расходуется два протона. 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 должен учитывать зависимость энергии синтеза молекулы АТФ от окружающей среды, в которой происходит синтез. Однако при синтезе молекулы АТФ в матриксе митохондрий из-за высокой концентрации молекул АДФ и неорганического фосфата требуется менее 10 ккал / моль анергии. [10]
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. [11]
Однако ряд фактов не вполне согласуется с первоначальной хемиосмотической гипотезой и требует ее модификации. [12]
В последнее время в литературе часто рассматривается фото-фосфорилирование в хлоропластах клеток растений на основе хемиосмотической гипотезы Митчелла. Согласно этой гипотезе, сопряжение процессов электронного транспорта и фосфорилирования достигается путем энергизации мембран тилакоидов, сводящейся к образованию градиентов концентраций ионов Н и ОН - и разностей потенциалов между внешними и внутренними сторонами мембран. [13]
Хотя детали молекулярных механизмов указанных выше процессов еще не установлены, многие качественные предположения хемиосмотической гипотезы получили экспериментальное подтверждение. [14]
Используя тот же метод, Гинкел с сотрудниками в Корнель-ском 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. [15]