1.3.3.2. Хеміосмотична теорія спряження

Важливе значення для дослідження механізму фосфорилювання в окисно-відновному ланцюгу має теорія хімічного спряження, розвинута Мітчелом.

Не користуючись безпосередньо уявленнями нерівноважної термодинаміки, Мітчел оперує поняттям спряження, необхідним при розгляді відкритих термодинамічних систем.

Центральний постулат хеміосмотичної теорії Мітчела:

Електронтранспортні ланцюги мітохондрій спряжені з системою синтезу АТФ через різницю електрохімічних потенціалів протонів на спряжуючих мембранах. Достовірність цього постулату підтверджена дослідами з кислотно-основними переходами і розспряжувачами. (Третьякова И., 2014)

Хеміосмотична теорія (за П. Мітелом, 1961) передбачає, що:

1)Функціонування дихального (електронотранспортного) ланцюга у внутрішніх (спрягаючих) мембранах мітохондрій супроводжується генерацією на цих мембранах електрохімічного градієнта протонів.

2)Окремі компоненти електронотранспортного ланцюга діють як протонні помпи, що спричиняють векторний(перпендикулярний площині мембрани) транспорт протонів, спрямований у напрямку «матрикс зовнішня поверхня мембрани».

3)Електрохімічний потенціал протонів на спрягаючи мембранах, який створюється завдяки дії протонних помп дихального ланцюга, є рушійною силою синтезу АТФ.

4)Існує ферментна система, що використовує енергію електрохімічного протонного потенціалу для синтезу АТФ за рахунок транс локації протонів через мітохондріальну мембрану в напрямку «зовнішня поверхня матрикс». Ця ферментна система яка замикає протонний цикл на спрягаючи мембранах мітохондрій – протонна АТФ-аза, або АТФ-синтетаза.

5)Будь-які фізичні, хімічні та біологічні фактори, що пошкоджують цілісність спрягаючи мембран мітохондрій та розсіюють енергію електрохімічного градієнта, порушують синтез АТФ, тобто виступають як роз’єднувачі транспорту електронів та окисного фосфорилювання. (Губський Ю., 2000)

В якості сряжуючих компонентів в роботі електронтранспортного ланцюга мітохондрій є такі коферменти, як НАДФ, НАД, ФАД і ФМН, які відіграють роль проміжних преносників електронів, а також атомів водню. НАД і НАДФ є коферментами в ферментативних окисно-відновних реакціях. Піридинове кільце нікотинаміду цих коферментів може переносити зворотнє окислення. В свою чергу ізоалоксазинове кільце ФМН і ФАД також переносить зворотнє окисно-відновне перетворення. ФМН і ФАД є простетичними групами для флавінодегідрогеназ. (Третьякова И., 2014)

1.3.4. АТФ – синтаза

АТФ-синтаза – інтегральний білок внутрішньої мембрани мітохондрій. Він розміщений безпосередньо близько до дихального ланцюга.

Білок складається з двох білкових комплексів, які позначаються .

Гідрофобний комплекс занурений в мембрану. Він є основою, яка фіксує АТФ-синтазу в мембрані. Комплекс складається з декількох субодиниць, що утворюють канал, по якому протони переносяться в матрикс.

Комплекс виступає в мітохондріальний матрикс. Він складається з 9 субодиниць (3α, 3β, γ, ε, δ).

Підвищення концентрації протонів в міжмембранному просторі активує АТФ-синтазу. Електрохімічний потенціал змушує протони рухатися по каналу АТФ-синтази в матрикс. Паралельно під дією електрохімічного градієнта відбуваються конформаційні зміни в парах α, β – субодиниць білка , в результаті чого з АДФ і неорганічного фосфату утворюється АТФ. Електрохімічний потенціал, що генерується в кожному з трьох пунктів спряження в ланцюгу перенесення електронів, використовується для синтезу однієї молекули АТФ. (Алейникова Т. и др., 2004)

Якщо створити умови в яких активна лише АТФ-синтаза, і додати до органел АТФ, то гідроліз АТФ і перенесення протонів будуть відбуватися до того часу, поки не буде досягнуто рівноваги між енергією, виділеною при гідролізі АТФ, і енергією необхідною, для перенесення протонів проти утвореного градієнта їх концентрації. Якщо порушити рівновагу, видаливши з середовища АТФ, то відбудеться АТФ-гідролазна реакція і почнеться синтез АТФ за рахунок енергії протонного градієнта. Синтез АТФ приведе в свою чергу до розсіювання градієнта концентрації; для його підтримки необхідна робота другої помпи.

В результаті роботи протонних помп усворюється круговий потік протонів через спряжуючу мембрану.

Цей струм дуже схожий зі струмом в електричному ланцюгу. Для того щоб не відбулося короткого замикання, мембрана повинна бути замкненою і повинна мати високий опір для протонів. Одне з найбільш вдалих передбачень хеміосмотичної теорії полягає в тому, що безліч агентів, які розспряжують окислення і синтез АТФ, діють саме шляхом підвищення протонної провідності мембран і спричиняють коротке замикання. (Николс Д., 1985)