Дельта мю H +: загальні відомості
Протягом тривалого часу вважали, що АТФ та інші високоенергетичні сполуки, що знаходяться в рівновазі з ним, є єдину форму енергії, яка може використовуватися живими клітинами у всіх енергозалежних процесах. Питання про характер зв'язку між транспортом електронів, з одного боку, і перетворенням фосфорних сполук, з іншого, довгий час залишався неясним. Було встановлено, що використання енергетичних ресурсів (органічних або неорганічних сполук при диханні. Світла при фотосинтезі) пов'язане з перенесенням електронів по ланцюгу, що складається з білкових і небілкових компонентів, здатних до оборотного окислення-відновлення. В результаті цього перенесення звільняється на окремих ділянках дихальної або фотосинтетичного ланцюга енергія трансформується в хімічну енергію фосфатних зв'язків АТФ. Молекулярний механізм фосфорилювання, пов'язаний з електронним транспортом, був невідомий.
Пізніше були отримані експериментальні дані про існування ще однієї форми енергії, також використовується клітиною для здійснення різного роду роботи. Відкриття цієї форми енергії належить англійському біохіміку Пітеру Митчеллу (P.Mitchell), який розробив в 60-х рр. XX ст. хеміосмотіческой теорію енергетичного сполучення, яка пояснює перетворення (трансформацію) енергії, що звільняється при електронному транспорті, в енергію фосфатного зв'язку АТФ. П.Мітчелл постулював, що при перенесенні електронів по окисно-відновної ланцюга, локалізованої в мембранах певного типу, званих енергопреобразующімі, або сполучають, відбувається нерівномірний розподіл Н + в просторі по обидва боки мембрани (рис. 25).
Запропонована ним модель передбачає певне розташування переносників електронів в сопрягающей мембрані, наприклад ЦПМ. які можуть бути занурені в глиб мембрани або локалізовані біля зовнішньої і внутрішньої її поверхонь так, що утворюють "петлі" у ланцюгу перенесення електронів. У кожній "петлі" (у прокаріот електронтранспортную ланцюга в сполучають мембранах можуть формувати різну кількість "петель") два атоми водню рухаються від внутрішньої сторони ЦПМ до зовнішньої за допомогою переносника водню (наприклад, хинона). Потім два електрона повертаються до внутрішньої сторони мембрани за допомогою відповідного електронного переносника (наприклад, цитохрому), а два протона звільняються в навколишнє середовище.
Таким чином, в кожній окислювально-відновної "петлі" два Н + переносяться з цитоплазми клітини в зовнішнє середовище. Загальна кількість протонів, перенесених через ЦПМ і виділених в зовнішнє середовище, при перенесенні двох електронів по електронтранспортной ланцюга залежить від числа утворених нею окислювально-відновних "петель". Розташування переносників електронів в ЦПМ прокаріотів таке, що при роботі будь-якої електронтранспортной ланцюга (фотосинтетичної або дихальної) у зовнішньому середовищі відбувається накопичення іонів водню (протонів), що приводить до підкислення середовища, а в клітинній цитоплазмі - їх зменшення, що супроводжується її подщелоченного, тобто . на мембрані виникає орієнтований поперек (трансмембранний) градієнт іонів водню.
Оскільки Н + - хімічні частинки, що несуть позитивний заряд, нерівномірне їх накопичення по обидві сторони мембрани призводить до виникнення не тільки хімічного (концентраційного) градієнта цих частинок, але і орієнтованого поперек мембрани електричного поля (сумарний позитивний заряд, де відбувається накопичення Н +, і негативний заряд по іншу сторону мембрани).
Таким чином, при перенесенні електронів на ЦПМ виникає трансмембранний електрохімічний градієнт іонів водню, що позначається символом дельта мю H + і вимірюваний в вольтах (В, мВ), який складається з електричного (трансмембранная різниця електричних потенціалів дельта Псі) і хімічного (концентраційного) компонентів (градієнт концентрацій Н + - дельта рН). Вимірювання показали, що на сполучають мембранах прокариот при роботі дихальних і фотосинтетичних електронтранспортних ланцюгів дельта мю H + досягає 200-250 мВ, при цьому внесок кожного компонента непостійний. Він залежить від фізіологічних особливостей організму і умов його культивування.
Отже, відповідно до хеміосмотіческой теорією П.Мітчелла, енергія, що звільняється в результаті роботи електронтранспортной ланцюга, спочатку накопичується в формі трансмембранного градієнта іонів водню. Розрядка утворюється дельта мю H + відбувається за участю локалізованого в тій же мембрані протонного АТФ-синтазного комплексу: Н + повертаються по градієнту дельта мю H + через Н + -АТФ-синтази, при цьому без виникнення будь-яких проміжних високоенергетичних сполук з АДФ і неорганічного фосфату утворюється АТФ. (Самі сполучають мембрани в интактном відбувся непроникні для іонів, особливо Н + і ОН-).
Імовірно, для синтезу однієї молекули АТФ достатній перенесення двох протонів, т. Е. Н + / АТФ = 2. Однак не виключено, що Н + / АТФ може бути більше.
Локалізована в мембрані Н + -АТФ-синтаза каталізує реакції синтезу і гідролізу АТФ відповідно до рівняння:
АДФ + Фн + NН + нар оборотно призводить до АТФ + Н2О + NН + внутр.
де Фн - неорганічний фосфат.
Реакція, що протікає зліва направо, пов'язана з транспортом Н + за градієнтом дельта мю H +, що призводить до його розрядки і синтезу АТФ. Протікає в протилежному напрямку реакція гідролізу АТФ, що супроводжується перенесенням Н + проти градієнта, призводить до утворення (або зростання) дельта мю H + на мембрані. Таким чином, АТФ-синтазного ферментний комплекс служить механізмом, що забезпечує взаємне перетворення двох форм клітинної енергії
(Дельта мю H + оборотно призводить до АТФ),
пристроєм, сполучаються процеси окислювальної природи з фосфорілірованіем.См. Хеміосмотіческой принцип П. Мітчелла