Протонный насос, в митохондриях

Принимая во внимание отрицательный итог всех попыток найти высокоэнергетические промежуточные соединения, а также очевидную необходимость интактной мембраны, Митчелл в 1961 г. предложил химио-осмотическую теорию окислительного фосфорилирования [97, 98]. В этой теории также принимается в расчет наличие энергозависимых процессов, таких, как накопление митохондриями катионов. Принципиальные положения теории Митчелла проиллюстрированы на рис. 10-12. Предполагается, что во внутренней мембране митохондрии имеется протонный насос, приводимый в действие потоком электронов этот насос выкачивает протоны из матрикса через мембрану. Идея о выкачивании протонов путем переноса электронов сама по себе не нова еще ранее высказывалось предположение, что этот механизм лежит в основе накопления в желудке соляной кислоты. Как указано на рис. 10-12, окисленный переносчик В при восстановлении в форму ВН приобретает два протона. Эти протоны не обязательно должиы поступать от восстановленного переносчика АНг, и Митчелл предположил, что они захватываются из раствора на внутренней стороне мембраны, т. е. со стороны матрикса. Затем, когда ВНг вновь окисляется под действием переносчика С, протоны освобождаются, но уже с наружной стороны мембраны. Митчелл привел данные, свидетельствующие о наличии требуемой стехиометрии процесса на каждые два протона, прошедшие через мембрану, синтезируется одна молекула АТР. Отсюда следует, что в цепь переноса электронов должно быть встроено три разных протонных насоса, соответствующих трем участкам фосфорилирования. [c.419]

В расчете на каждый атом поглощенного кислорода (или на каждую пару переносимых электронов) митохондрии образуют максимум три молекулы АТФ (т. е. связывают три молекулы Н РО с АДФ). Отношение количества связанной FI PO k количеству поглощенного кислорода (О) называют коэффициентом фосфорилирования и обозначают Р/О следовательно, коэффициент Р/О < 3. ФАД-зависимые дегидрогеназы мембраны митохондрий не являются протонными насосами (см. рис. 8.4) в этом случае в цепи переноса электронов действуют только два пункта перекачки протонов — комплексы III и IV, и коэффициент Р/О не может быть больше двух. [c.233]

В мембране митохондрий существует активный перенос протонов. Это означает перенос изнутри митохондрий наружу - такое явление называют работой протонного насоса. Перенос протонов приводит к возникновению разности концентраций с двух сторон митохондриальной мембраны, так что более высокая концентрация будет снаружи, более низкая - внутри. [c.87]

Хемиоосмотическая теория не требует никакого промежуточного продукта, который бы обеспечивал сопряжение между переносом электронов и синтезом АТФ. Источником энергии, связывающем окисление и фосфорилирование, служит градиент концентрации ионов (при этом важна целостность мембран и специфическая ориентация протонного насоса, откачивающего протоны изнутри митохондрий наружу). Итак, между митохондрией и окружающей средой совершается непрерывный круговорот ионов Н+, за счет которого и синтезируется АТФ. [c.87]

Протонные насосы, в которых протоны переносятся в результате протекания различных окислительно-восстановительных реакций, реализуют основной способ переноса энергии через мембраны бактерий, митохондрий и хлоропластов. [c.330]

Таким образом, разделение водорода на протоны и электроны в мембране митохондрий напоминает работу переправы с помощью двух типов транспортных средств, т. е. цепь переноса электронов работает как протонный насос, перекачивающий ионы водорода из межклеточного пространства на наружную сторону мембраны. [c.325]

Лизосомы также ограничены однослойной мембраной. Матрикс их оптически неоднороден и содержит ряд уплотнений. В лизосомах локализован набор гидролитических ферментов, участвующих в разрушении продуктов клеточного метаболизма, причем при помощи специального протонного насоса поддерживается низкое значение pH (не более 4,5), способствующее эффективному гидролизу. Внутриклеточные структуры, подлежащие разрушению, поступают в лизосомы, где и подвергаются гидролизу. Процесс селекции и поступления в лизосомы только отработанного материала обусловлен его специфическим мечением. Так, нативные белки в лизосомы не поступают. По истечении же времени функционирования происходит их инактивация цитоплазматическими протеиназами или присоединение убиквитина, что является сигналом для транспорта в лизосомы модифицирбванного белка. Кроме молекул, лизосомы могут разрушать органеллы или целые клетки (митохондрии, эритроциты). Процесс транспорта веществ в лизосомы является энергозависимым и требует затраты энергии. В растительных клетках гидролитические ферменты обычно локализованы в вакуолях — прообразе лизосом. [c.13]

До сих пор мы говорили лишь об одном возможном механизме ионного транспорта, опосредованного переносчиками. Необходимо, однако, помнить о том, что суш,ествуют и многие другие способы переноса веш,еств через мембрану. На рис. 6.11 приведены некоторые важнейшие виды транспортных механизмов, обнаруженные в биологических мембранах. В левой части рисунка изображены простейшие способы переноса — пассивная диффузия ионов (1) и массовый поток жидкости (2). Далее следует пассивная диффузия, опосредованная переносчиком,— либо в одном направлении (3), либо в обоих (4). Весьма распространена такая пассивная диффузия, при которой перенос какого-либо вещества сопряжен с транспортом другого вещества так, во многих клетках осуществляется сопряженный перенос сахаров и аминокислот с Ма+ по градиенту концентрации этого иона (5). Наконец, существуют такие системы транспорта, для работы которых требуется энергия. К ним относятся насосы того типа, который мы только что рассмотрели (6) (источником энергии для работы таких насосов служат макроэргические фосфаты), и протонный насос (7), действующий во внутренней мембране митохондрий (см. гл. 4). Поставщиками энергии для работы протонного насоса служат дыхательные ферменты. Все эти механизмы действуют в биологических мембранах, но, кроме того, некоторые из них были воспроизведены и на искусственных мембранах, составленных из различных органических веществ. Это обстоятельство, открывающее широкие возможности для экспериментального анализа, свидетельствует о том, что особенности процессов переноса в значительной степени определяются свойствами органических молекул и макромолекулярных комплексов, образующих монослои или очень тонкие мембраны. [c.146]

Рис. 15. Схема циркуляции протонов В процессе дыхания протоны окисляемого субстрата выбрасываются из мембраны с помощью протонных насосов дыхательной цепи во внешнюю среду (или периплазму) в случае прокариот, а в случае эукариот — в межмембранное пространство митохондрий. Поскольку мембрана непроницаема для протонов, их возврат в клетку возможен только через канал АТРазы (и другие транспортные каналы), при этом АТРаза трансформирует энергию ТЭП в АТР (или энергия ТЭП непосредственно используется для обеспечения других эндэргонических процессов транспорта,

Мембранные аллостерические насосы, питаемые энергией гидролиза АТР, способны работать в обратном направлении и использовать энергию ионного градиента для синтеза АТР. В самом деле, как мы увидим в гл. 7, именно такой механизм мобилизует у животных энергию градиента протонов [Н ] (направленного поперек внутренней мембраны митохондрий) для синтеза большинства молекул АТР [c.167]

Представленная дыхательная цепь характерна для митохондрий и некоторых бактерий. В такой цепи протонными насосами , создающими ТЭП, являются НАД- и сукцинат дегидрогеназы, цитохром-с-редуктаза и цитохрооксидаза [c.175]

Итак, согласно гипотезе Митчела энергия пищи тратится на работу специального протонного насоса, заряжающего мембрану митохондрий. Как же можно было проверить эту гипотезу Во-первых, можно было попробовать измерить МП митохондрий если бы его не оказалось, то это опровергло бы гипотезу. Во-вторых, можно было сделать дырку в мембране митохондрий, устроить короткое замыкание в этом случае [c.266]

В плазматических мембранах бактерий, во внутренних мембранах митохондрий и тилакоидных мембранах хлоропластов обнаруживаются ферменты, очень похожие на две обсуждавшиеся выше транспортные АТРазы. Однако здесь они обычно действуют в обратном направлении. Вместо гидролиза АТР, обеспечивающего транспорт ионов, они катализируют синтез АТР из ADP и фосфата, осуществляемый благодаря наличию на этих мембранах градиента протонов. Градиент Н" возникает на отдельных этапах транспорта электронов в процессе окислительного фосфорилирования (у аэробных бактерий и в митохондриях) или фотосинтеза (в хлоропластах), а также с помощью фотоактивируемого протонного насоса (бактериородоисина у Haloba terium). Эти ферменты, в норме синтезирующие АТР, названы ТР-синтетазами Как и транспортные АТРазы, они способны работать в обоих направлениях в зависимости от условий либо гидролизовать АТР и качать Н" через мембрану во внутреннее пространство, либо синтезировать АТР при прохождении потока ионов Н" через молекулы ферментов в обратном направлении. АТР-синтетазы ответственны за продукцию практически всего АТР в большинстве клеток и более детально обсуждаются в гл. 9. [c.389]

В экспериментах, проведенных в 1974 г., было очень наглядно показано, как работает АТР-синтетаза К тому времени уже были разработаны методы введения интегральных мембранных белков, предварительно солюбилизированных с помощью детергента, в липидные пузырьки (липосомы), приготовленные из очищенных фосфолипидов (см. разд. 6.1.2). Это позволило создать гибридную мембрану, которая одновременно содержала очищенную митохондриальную АТР-синтетазу и бактериородопсин, выполняющий у бактерий функцию светозависимого протонного насоса (см. разд. 6.2.7). При освещении таких пузырьков протоны, накачиваемые внутрь бактериородопсипом, выходили наружу через АТР-синтетазу, и в результате в окружающем растворе накапливался АТР (рис. 7-25). Так как прямое взаимодействие между бактериальным протонным насосом и АТР-синтетазой млекопитающих вряд ли возможно, этот эксперимент указывает на то. что и в митохондриях активный перенос протонов и синтез АТР - это, по всей вероятности, два раздельных процесса в общем механизме окислительного фосфорилирования. [c.448]

Рис. 7-25. Схема важного эксперимента, который показал, что АТР-синтетазу можно привести в действие простым током протонов Путем сочетания светозависимого бактериального протонного насоса (бактериородопсипа), АТР-синтетазы, вьщеленной из митохондрий бычьего сердца,

Исследования природы злектрогенеза и транспорта ионов в растительных клетках, бурно развивавшиеся в 1980-е годы, показывают, что на роль электрогенного протонного насоса плазмалеммы помимо Н+-АТФазы реально может претендовать редокс-цепь (или ЭТЦ) плазмалеммы. Гипотеза о том. что электрогенный транспорт Н+ через плазмалемму клеток растений осуществляется при участии ЭТЦ. впервые была предложена В.А. Новаком и Н.Г. Иванкиной [171]. В рамках этой гипотезы предусматривалось, что исходным звеном редокс-цепи выступают восстановленные пиридиннуклеотиды, а конечным акцептором электронов, как и в случае ЭТЦ митохондрий, является Ог- В пользу правомерности предложенной гипотезы, по мнению авторов. в той или иной степени свидетельствовали данные о возможности участия восстановленных пиридиннуклеотидов в электрогенезе клеток растений, результаты гистохимического анализа локализации предполагаемых компонентов редокс-цепи в плазмалемме и т.д. [c.40]

Возможны различные механизмы переноса протона через мембрану при транспорте электрона по цепи переносчиков, которые асимметрично расположены в мембране. Возможно образование в белковой части переносчика протонного канала, проводимость которого зависит от окислительно-восстановительного состояния самого переносчика. Таким образом, переносчик электронов одновременно выполняет функции протонного насоса. Перенос протона может происходить и в результате работы подвижных переносчиков, которые диффундируют через мембрану от одной ее стороны на другую. Они восстанавливаются в ЭТЦ на одной стороне мембраны и одновременно с электроном присоединяют протон, затем, диффундируя на другую сторону мембраны, окисляются и выбрасывают протон в примембранную область. Именно так осуществляются эти функции в мембранах тилакоида в хлоропластах, где таким образом он передает электроны и протоны с наружной (отрицательной) к внутренней (положительной) поверхности. Отметим, что в митохондриях полярность мембраны обратна полярности тилакоида (плюс на наружной, минус на внутренней стороне). В тилакоиде протоны потребляются из наружной фазы и переносятся во внутреннюю, которая таким образом подкисляется при работе ЭТЦ. Это приводит к появлению трансмембранного градиента концентрации протонов (АрН) между наружной и внутренней фазами тилакоида. Одновременно создается и трансмембранная разность электрических потенциалов (Аф) за счет увеличения положительного заряда внутри тилакоида при накоплении там положительно заряженных протонов. Свой вклад в разность электрических потенциалов на мембране вносит и собственно фотохимический перенос электрона на наружную сторону при работе фотосистем ФС I и ФС П. Образующееся таким образом электрическое поле (Аф) влияет в [c.165]

Рис. 9-27. Схема важного эксперимента, который показал, что АТР-синтетазу можно привести в действие простым током протонов. Синтетические липосомы, содержащие светозависимый бактериальный протонный насос (бак-териородопсин) и АТР-синтетазу, выделенную из митохондрий бычьего сердца, при воздействии света синтезировали АТР. Среди специалистов существуют разногласия относительно того, как движутся протоны-не поступают ли они в АТР-синтетазную систему, перемещаясь прямо вдоль мембраны, вместо того чтобы переходить сначала в жидкую фазу. Однако, судя по результатам данного эксперимента, маловероятно, чтобы имело место прямое перемещение протонов от дыхательного ферментного комплекса к АТР-синтетазе.

В активном центре цитохромоксидаз высших животных содержатся два гема а (см. рис. 46) и два иона меди. Темы цитохромоксидазы химически идентичны, но за счет различного окружения имеют разные функциональные и спектральные свойства. Цитохромоксидаза—протонный насос. При транспорте одного электрона происходит перенос двух протонов, один из которых используется при восстановлении кислорода до воды в активном центре комплекса, а другой пересекает мембрану. Терминальная оксидаза ряда бактерий отличается от цитохромоксидазы митохондрий. Так, например, у Е.соИ она состоит из четырех полипептидов, двух гемов типа Ь (bssg и Ьзез) и двух ионов меди. Этот фермент окисляет не цитохром с, а восстановленный коэнзим Q. [c.128]

Химическая гипотеза постулирует прямое химическое сопряжение окисление приводит к образованию высокоэнергетического интермедиата, который является движущей силой фосфорилирования [34]. Поскольку известно, что в митохондриях могут поддерживаться градиенты концентрации ионов (в том числе протонов) [23], в эту гипотезу обычно включают и сопряжение с транспортом ионов за счет расщепления высокоэнергетического интермедиата. В отличие от этого хемиосмоти-ческая гипотеза постулирует, что окисление сопряжено с выбросом протонов из митохондрий [24,25]. Образующийся при этом градиент электрохимического потенциала протонов движет фосфорилирование в мембранах путем обращения работы АТФазного протонного насоса. Градиенты концентрации катионов рассматриваются как прямой результат электрического мембранного потенциала, возникающего благодаря переносу протонов. [c.312]

Очень сходные результаты получены в недавних исследованиях протонных насосов, приводимых в действие в митохондриях окислительно-восстановительными реакциями и гидролизом АТФ (Г. Аццоне, частное сообщение). Что особенно существенно в этих исследованиях — это то, что неполнота сопряжения почти целиком определяется протонным насосом, приводимым в действие окислительно-восстановительными реакциями, и что значения <7(<1) почти не зависят от усиления ингибирования дыхательной цепи. Отсюда следует, что разобщение, связанное с утечкой протонов, пренебрежимо мало. [c.337]

По мнению Карафоли, выход Са + из некоторых структур (по крайней мере, из митохондрий) может вы-зыв аться изменением концентрации одновалентных катионов. Электрогенный протонный насос, функционирующий во внутренней мембране митохондрий, создает на этой мембране потенциал и градиент протонов. Этот [c.232]

Рис. 7-25. Схема важного эксперимента, который показал, что АТР-синтетазу можно привести в действие простым током протонов Путем сочетания светозависимого бактериального протонного насоса (бактериородопсина), АТР-синтетазы, вьщеденной из митохондрий бычьего сердца, и фосфолипидов были получены липосомы, синтезирующие при воздействии света АТР

В мембране митохондрий есть белок, который в экспериментах in vitro может создавать трансмембранный градиент концентраций Н за счет энергии гидролиза АТФ, т. е. действует как протонный насос. Однако в живой клетке функция этого белка противоположна за счет градиента концентрации Н он синтезирует АТФ, поэтому его называют Н -АТФ-синтетаза (см. гл. 8). [c.211]

Рнс. 2.11. Виды ионных насосов а - К+-Ма+-АТФаза в цитоплазматических мембранах (К -Ма+-насос) б - Са +-АТФаза (Са +-насос) в - Н+-АТФаза в энергосопрягающих мембранах митохондрий, хлоропластов (Н+-насос, или протонная помпа) [c.45]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология