6.Гіпотези окисного фосфорилювання

Термодинамічний підхід не дозволяє визначити конкретний механізм спряження окиснення із фосфорилюванням. Визначення природи цього механізму – одна з важливих проблем сучасної біоенергетики. На основі аналізу експериментальних даних запропоновано три гіпотези такого спряження:

1. Гіпотеза хімічного спряження (Е. Слейтер, 1953);

2. Конформаційна гіпотеза (П. Боєр, 1964);

3. Хеміосмотична гіпотеза (П. Мітчел, 1961).

1. Гіпотеза хімічного спряження (Е. Слейтер, 1953) – одна із перших гіпотез, згідно якої існує хімічний інтермедіат, який утворюється під час транспорту електронів і запасає енергію в макроергічному зв'язку, яка надалі використовується для синтезу АТФ

1.Гіпотеза хімічного спряження (Е. Слейтер, 1953).

Сегменти дихального ланцюга, які включають редокс-комплекс А-В та інтермедіат, створюють спряжені центри, які локалізуються у спеціальних ділянках електронтранспортного ланцюга.

За цією гіпотезою постулюють наявність 3 спряжених центрів у дихальному ланцюзі.

Але ця гіпотеза не була підтверджена, оскільки інтермедіатів не було експериментально виявлено.

2.Конформаційна (механохімічна) гіпотеза (П. Боєр, 1964).

За цією гіпотезою, енергетично-збагачений стан (~) – це не хімічна сполука, а конформація певної білкової (чи ліпопротеїнової) ділянки, яка прямо спряжена з електронним транспортом. Вільна енергія, яка запасається у вигляді енергетично-збагаченого конформаційного стану, використовується для синтезу АТФ.

Проти конформаційної гіпотези висловлюється заперечення, яке базується на факті, що час конформаційних змін, які реєструються спектральними методами не збігається з часом окисного фосфорилювання.

3.Хеміосмотична гіпотеза (П. Мітчел, 1961).

1. Водночас з перенесенням електронів по мітохондріальному дихальному ланцюгу відбувається “перекачування” протонів з матриксу в міжмембранний простір.

2. Мітохондріальна АТФ-синтаза теж транспортує іони через внутрішню мембрану мітохондрій. За наявності великого протонного градієнта протони транспортуються у зворотному напрямку, що супроводжується синтезом АТФ.

3.Хеміосмотична гіпотеза (П. Мітчел, 1961).

3. Внутрішня мембрана мітохондрій не проникна для аніонів і катіонів, зокрема для ОН- та Н+, в ній є декілька білків-переносників, які забезпечують транспорт необхідних метаболітів.

ОКИСНЕ ФОСФОРИЛЮВАННЯ (По Мітчеллу)

Протон-рушійна сила

Електрохімічний потенціал – це різниця електрохімічних потенціалів протонів між двома водними фазами всередині та ззовні мітохондрій описується рівнянням:

де R – газова стала, T – абсолютная температура, [H+]o и [H+]i – концентрації іонов водню поза і всередині матрикса, F – число Фарадея, Dj – різниця потенціалів між зовнішнім середовищем та матриксом.

П етер Мітчелл в якості одиниці енергії використав електрон-вольти, тому рівняння трансформується:

PMF=

Вклад DpH і Dj в PMF

Сумарна енергія окисно-відновної реакції, перетворена в різницю електрохімічних потенціалів іонів водню названа П. Мітчеллом протон-рушійною силою (PMF - proton motive force), по аналогії з електрорушійною силою в гальванічній батареї.

Замінив натуральний логарифм десятковим, легко знайти величину протон-рушійної сили, знаючи різницю pH (DpH) і різницю потенціалів (Dj) між середовищем і матриксом при кімнатній температурі:

PMF (мВ) = 60 (мВ) × DpH + Dj

В мітохондріях основний вклад в цю суму вносить мембранний потенціал, який в присутності субстрата і кисню складає приблизно 170-180 мВ.

Владимир Петрович Скулачев

Експериментальне підтвердження теорії Мітчелла:

1. Протонофоры разобщают окислительное фосфорилирование строго пропорционально их способности переносить протоны через липидный слой.

2. Методом флуоресцетных зондов и электрометрически показано образование электрического потенциала на мембране при энергизации митохондрий.