3.7.2. Механизм сопряжения электронного транспорта с формированием трансмембранного градиента электрохимического потенциала.

Важнейшим интермедиатом в реакциях превращения энергии в биологических системах является градиент электрохимического потенциала. В соответствии с хемиосмотической теорией Митчелла и развиваемой в настоящее время ротационной теорией Бойера - синтез АТФ в хлоропластах является результатом сложного комплекса сопряженных процессов: транспорта электронов, генерации электрохимического потенциала и преобразовании его энергии в серии конформационных изменений отдельных субъединиц сопрягающего комплекса, передачи конформационных сигналов в каталитические центры, где в результате изменения констант связывания субстратов (АДФ и Ф_н) происходит образование молекулы АТФ.

Механизм сопряжения электронного транспорта с генерацией электрохимического потенциала рассматривается в настоящее время в рамках хемиосмотической теории Митчелла (теории протонного сопряжения), сформулированной в 1961 году и развитой в последующие годы (1966).

Теория Митчелла включает два основных положения: 1) энергия, освобождаемая в редокс-реакциях, первично запасается в форме протонного градиента (ΔрН); 2) признание необходимости сопрягающей мембраны, непроницаемой для Н⁺. При работе ЭТЦ сопряжено с транспортом электронов происходит энергозависимый перенос протонов через гидрофобный слой мембраны из стромы в люмен, направленный против электрического градиента и против концентрационного градиента.

В теории Митчелла сопрягающей мембране отводится ведущая роль в процессе фотофосфорилирования. Сопрягающая мембрана не проницаема для протонов, благодаря чему может быть создана разность свободных энергий в двух водных фазах, разделенных мембраной. Тилакоидная мембрана ориентирует комплексы, участвующие в транспорте электронов таким образом, что создается векторный поток электронов и протонов через мембрану. В результате сопряженных процессов переноса электронов (на стромальную поверхность мембраны) и Н⁺ (внутрь тилакоидов) возникает градиент протонов (ΔрН), который служит источником энергии для синтеза АТФ. Значительный вклад в суммарное значение разности энергий в двух фазах, разделенных мембраной (строма, люмен) дает образующийся при работе ЭТЦ электрический мембранный потенциал. Электрическое поле на мембране образуется в течение 10 мсек при первичном фотохимическом разделении зарядов.

В результате определенного расположения и взаимодействия участников редокс-реакций в мембране происходит прямое преобразование редокс-энергии в энергию электрохимического потенциала (Δμн⁺), который представляет собой сумму электрической и осмотической энергии и является источником свободной энергии, которая может быть использована клеткой:

Δμн+ = -2,3RTΔpH + FΔΨ.

Электрохимический трансмембранный градиент Δμн⁺ формируется в результате сопряжения электрогенных и протеолитических реакций при работе ЭТЦ. В нециклическом фотофосфорилировании известны три электрогенные реакции, в результате которых происходит перенос электронов с внутренней на наружную, стромальную поверхность мембраны с запасанием энергии в форме электрического мембранного потенциала. Две реакции имеют место в реакционных центрах ФСI и ФСII; они связаны с быстрым переносом электрона от фотовозбужденного пигмента к конечному компоненту акцепторного комплекса, локализованному на стромальной поверхности мембраны. Одна, медленная электрогенная реакция связана с работой Q-цикла, с переносом электрона от молекулы РQН₂, окисляемой Fe-S-белком Риске, к цитохрому b₆ высокопотенциальному.

При работе ЭТЦ электрогенные реакции сопряжены с протолитическими. В реакциях трансмембранного переноса протонов из стромального в люменальное пространство значительная роль принадлежит цитохром b₆f-комплексу. При окислении пластохинола в центре QZ цитохромного комплекса удаление двух электронов из молекулы PQH2 сопряжено с освобождением двух H⁺, которые поступают в люмен, а окисленный пластохинон может быть снова восстановлен в QВ центре (в ФСII) или в QC центре (цитохром b6f-комплекс) на стромальной стороне мембраны с использованием двух протонов из стромы. Вторая реакция образования протонного градиента обусловлена процессом фотоокисления воды ФСII, в результате которого при разложении двух молекул Н₂О выделяется молекулярный кислород, электроны поступают в ЭТЦ, а в люменальное пространство высвобождаются четыре протона. Перенос протонов через мембрану происходит также при циклическом транспорте электронов вокруг ФСII при участии цитохрома b₅₅₉.

Таким образом, энергия, освобождаемая при переносе электронов в отдельных участках ЭТЦ, преобразуется в осмотическую и электрическую энергию градиента электрохимического потенциала.

Градиент электрохимического потенциала, согласно ротационной теории Бойера (1993, 1997), служит источником энергии для конформационных изменений белков АТФ-синтазного комплекса СF₀-СF₁, итогом которых является образование молекулы АТФ из АДФ и Фн в каталитическом центре сопрягающего фактора I (СF1).