Лекция 12. Механизм синтеза атф

лекция 12. Механизм синтеза АТФ.
Механизм окислительного фосфорилирования в сопрягающих мембранах многие биоэнергетики в 50-60 гг. прошлого столетия пытались объяснить как последовательность химических процессов или как преобразование химической энергии в конформационную, которая в свою очередь снова конвертируется в химическую (энергия связей АТФ). Все многочисленные концепции такого рода не выдержали экспериментальной проверки.
В 1961 г. английский биохимик Питер Митчел предложил хемиосмотическую концепцию бактериального, фотосинтетического и окислительного фосфорилирования. Основная идея хемиоосмотической теории заключается в том, что впервые было обращено внимание на абсолютную зависимость процесса преобразования энергии от наличия замкнутых мембранных структур и разделения на них зарядов. При разделении зарядов на сопрягающей мембране органический субстрат как донор водорода АН₂ ( аскорбат) окисляется переносчиком электронов ( цитохромом с) у внешней стороны “сопрягающей” мембраны (в митохондриях - это внутренняя мембрана). При этом 2Н⁺ остаются по ту же сторону мембраны, где был АН₂, а два электрона переносятся через мембрану по дыхательной цепи к акцептору электронов (В), т.е. кислороду. Акцептор присоединяет два протона из внутренней фазы митохондриального матрикса, превращаясь в окончательный восстановленный продукт ВН₂. Таким образом, перенос двух электронов по сопрягающему участку дыхательной цепи сопряжен с созданием электрохимического градиента протонов (_н) - увеличением концентрации с внешней и уменьшением - с внутренней стороны мембраны. С учетом распределения Н⁺ (снаружи) и ОН^- (внутри) внутренняя сторона внутренней мембраны митохондрий заряжена отрицательно по отношению к наружной стороне.
П.Митчел при изложении хемиосмотической теории выдвинул 4 постулата, которые затем были экспериментально подтверждены:

• 
  дыхательная и фотосинтетическая электрон-переносящие цепи должны переносить протоны через сопрягающую мембрану;
  
• 
  АТФ-синтетаза должна работать как обратимая протон-переносящая помпа;
  
• 
  сопрягающие мембраны должны иметь низкую протонную проводимость, которая резко увеличивается в присутствии разобщителей-протонофоров типа 2,4-динитрофенола;
  
• 
  сопрягающие мембраны должны содержать специфические обменные переносчики, позволяющие метаболитам проникать через мембрану и сохранять осмотическую стабильность мембранных структур в условиях высокого мембранного потенциала.
  

С точки зрения медицины cущественно, что многие патологические процессы в организме (гипоксия, тиреотоксикоз, авитаминоз и др.) сопровождаются разобщением окислительного фосфорилирования в митохондриях, которое связано с нарушением барьерной функции внутренней мембраны митохондрий.
Механизм биологического окисления. Процесс последовательного восстановления кислорода лежит в основе двух главных типов окислительных превращений биосубстратов: оксидазного и оксигеназного . В результате оксидазных реакций молекула кислорода не встраивается в молекулу окисляемого субстрата, а является акцептором 4 электронов превращаясь в воду. В оксигеназных реакциях происходит присоединение либо одного атома кислорода – это монооксигеназная реакция, либо двух атомов кислорода -диоксигеназная реакция к молекуле окисляемого субстрата. В этих реакциях включение кислорода в окисляемый субстрат осуществляется при помощи ферментов, активные группы которых включают ионы переменной валентности. При монооксигеназном пути реакции гидроксилирования осуществляются полиферментным комплексом, который содержит в качестве терминальной оксигеназы цитохром Р-450, являющегося источником супероксида кислорода. Примером реакции диоксигеназного типа являются процессы перекисного окисления липидов.
Фотофизические и первичные фотохимические стадии любого фотосинтеза универсальны с тем лишь исключением, что у бактерий функцией фотохимически активного пигмента обладает не хлорофилл, а бактериохлорофилл или бактериородопсин. Бактериородопсин, сравнительно небольшой белок, является самым простым из всех известных насосов, использующих энергию света для активного переноса про­тонов через мембрану, в результате чего происходит синтез АТФ. В ос­нове этого биоэнергетического процесса лежит фотохимический цикл превращений бактериородопсина.