Хемиосмотическая гипотеза окисления и фосфорилирования

Английский биохимик П. Митчелл в 1961 г. предложил оригинальную схему окислительного фосфорилирования. Эта гипотеза основана на представлении о том, что энергия окисления субстрата (АН₂) используется для образования электрохимического потенциала ионов водорода по обе стороны внутренней мембраны митохондрий, о векторном перемещении электронов через мембрану как движущей силе в реакции энергетического сопряжения.

Согласно гипотезе Митчелла, дыхание и фосфорилирование связаны между собой через посредство электрохимического потенциала и ионов водорода на митохондриальной мембране. Функционирование дыхательной цепи, локализованной во внутренней митохондриальной мембране, приводит к накоплению ионов Н⁺ по одну сторону мембраны и образованию ионов ОН^- — по другую. При этом снаружи остаются 2Н⁺ и окисленный субстрат, а на внутреннюю сторону передаются два электрона по дыхательной цепи, встроенной в толщу мембраны (например, цитохромоксидазе), соответствующему акцептору водорода В (в рассматриваемом примере кислороду), который затем присоединяет 2Н⁺ из водной фазы митохондриального матрикса: $$\ce{(1/2)O_2 + 2e -> O_2^2-}$$

Предполагается, что ионы Н⁺ остаются связанными с внешней поверхностью мембраны, сообщая ей положительный заряд, а электроны, перенесенные на внутреннюю поверхность, заряжают ее отрицательно. В результате между двумя поверхностями мембраны возникает разность потенциалов. Передвижение протонов водорода (рис. 44) с наружной стороны мембраны к внутренней рассматривается как процесс, сопряженный с присоединением остатков неорганического фосфата к АДФ и образованием АТФ.

Рис. 44. Принцип хемиосмотического сопряжения и фосфорилирования (по П. Митчеллу).

Кроме электрического поля, мембрана имеет градиент концентрации ионов водорода. Эти два градиента — электрический и концентрационный — и являются непосредственно источником энергии для синтеза АТФ:
химическая энергия окисления → энергия электрического поля и градиента концентрации → энергия АТФ(x~y)

Хемиосмотическая гипотеза объясняет необходимость мембран и механизм действия веществ — разобщителей окисления и фосфорилирования (протонофоры). Последние служат переносчиками протонов через мембрану. При этом перенос их осуществляется на той стороне мембраны, где дыхание создает избыток ионов Н⁺, затем происходит их диффузия через мембрану и освобождение Н⁺ в противоположном отсеке, где водородные ионы в дефиците.

На рисунке 45 приведена схема окисления (реакция I) и синтеза АТФ (реакция II) в митохондриальных мембранах.

Рис. 45. Схема окисления и синтеза АТФ в митохондриальных мембранах (хемиосмотическая гипотеза Митчелла).

Окисление субстрата АН₂ (реакция I) ферментом — акцептором электронов происходит на левой внешней поверхности мембраны. В результате электроны присоединяются к ферменту ЭТЦ, а протоны перемещаются в воду. Затем электроны переносятся на правую (внутреннюю) сторону мембраны и там восстанавливают молекулярный кислород или какой-либо другой акцептор водорода (обозначен буквой В), Вещество В, присоединив электроны, связывает ионы Н⁺ справа от мембраны, превращаясь в ВН₂. Синтез АТФ (реакция II) осуществляется таким образом, что два иона Н⁺ отщепляются от АДФ и фосфата (Р) с правой стороны мембраны, компенсируя потерю двух Н⁺ при восстановлении вещества В. Один из атомов кислорода фосфата переносится на другую сторону мембраны и, присоединив два иона Н⁺ из левого отсека, образует Н₂О. Остаток фосфорила присоединяется к АДФ, образуя АТФ (В. П. Скулачев).

Таким образом создаются протонный цикл и протонный потенциал \(\Delta \overline{\mu}H\), которые служат промежуточным звеном между источником энергии и АТФ: субстрат дыхания → \(\Delta \overline{\mu}H\) ← АТФ, или субстрат дыхания → \(\Delta \overline{\mu}H\) → АТФ, поскольку второй процесс обратим. \(\Delta \overline{\mu}H\) — общий продукт двух разных ферментных систем — дыхательной и АТФ-азной и сопрягающий фактор между дыханием и фосфорилированием. Создается своего рода протонный насос, а \(\Delta \overline{\mu}H\) является транспортером энергии, в котором перенос ее осуществляется с помощью тяжей между митохондриями и непосредственного, соприкосновения мембран митохондрий, образуя митохондриальный ретикулум. Ионы К⁺ и Na⁺ в мембранах создают определенную устойчивость, стабилизацию возникновения протонного потенциала. П. Митчелл измерил разность потенциалов (\(\Delta \psi\)) и разность концентраций ионов Н⁺ между митохондриями и средой (\(\Delta \overline{\mu}H\)), а также подсчитал величину потенциальной энергии Н⁺. Протонодвижущая сила, или разность электрохимических потенциалов водородных ионов (\(\Delta \overline{\mu}H\)), оказалась равной 0,25 В, из них 0,2 \(B\Delta \psi\) и 0,05 \(B\Delta pH\).

Интересные эксперименты проводились с белком бактериородопсином, полученным из галофильных бактерий, в котором содержится пигмент каротиноид ретиналь или ретинен (альдегидная форма витамина А). Исследования показали, что фосфолипидная мембрана (протеолипосомы) с добавлением бактериородопсина может переносить водородные ионы за счет энергии света (\(\Delta \overline{\mu}H\)). Этим была продемонстрирована способность белка превращать энергию света в электричество. По значению идеи протонного цикла сравнивают с циклом Кребса. П. Митчелл считает, что для биоэнергетики они имеют такое же значение, как концепция двойной спирали ДНК в молекулярной генетике.