Хемиосмотическая гипотеза градиент

Итак, хемиосмотическая гипотеза не требует никакого высокоэнергетического химического агента, который в качестве общего промежуточного продукта обеспечивал бы сопряжение между переносом электронов и синтезом АТР. Переносчиком энергии, связывающим два эти процесса, служит, согласно хемиосмотической гипотезе, градиент концентрации ионов Н между двумя сторонами митохондриальной мембраны. В свете этой гипотезы становится понятным и требование целостности мембраны, т.е. по- [c.531]

Согласно хемиосмотической гипотезе энергия переноса электронов передается на синтез АТР через протонный градиент [c.531]

Задача этой книги — дать введение в биоэнергетику, а не обзор последних достижений в этой области. Поэтому, во-первых, несмотря на то, что практически по каждой из рассмотренных тем в литературе существуют различные точки зрения, я буду исходить из тех представлений, которые, как мне кажется, принимаются сейчас большинством исследователей. Так, в частности, отправной точкой для изложения будет служить основной постулат хемиосмотической гипотезы энергетическое сопряжение осуществляется через электрохимический градиент протонов. Во-вторых, при цитировании я ограничился наиболее доступными обзорами и очень небольшим числом оригинальных работ, которые служат лишь для иллюстрации. Эти обзоры содержат полную биоэнергетическую библиографию и позволяют значительно сократить объем книги. Я надеюсь, коллеги примут во внимание, что отбор цитируемых оригинальных работ ни в коей мере не отражает научный приоритет. [c.7]

Наиболее привлекательной чертой хемиосмотической гипотезы для исследователей, занимающихся биоэнергетикой, было то, что она позволяла сразу предложить ряд экспериментов, в которых можно было бы проверить ее предсказания. В результате дальнейшее обсуждение проблемы велось по трем направлениям. Во-первых, верен ли главный постулат и является ли протонный электрохимический градиент необходимым и достаточным условием энергетического сопряжения Во-вторых, является ли протонный цикл делокализованным, происходит ли он во внешней водной фазе, согласно Митчеллу, или же существуют локальные протонные микроциклы между отдельными комплексами дыхательной цепи и АТР-синтетазы согласно Вильямсу В-третьих, какова роль векторной транслокации групп и конформационных изменений белков в молекулярном механизме переноса протонов [c.25]

Среди множества гипотез о механизме сопряжения фосфорилирования АДФ и дыхания заслуживает внимания хемиосмотическая теория, разработанная английским биохимиком П. Митчеллом (1961 г.). По мнению П. Митчелла, энергия переноса электронов и протонов через дыхательную цепь первоначально сосредотачивается в виде протонного потен циала, или электрохимического градиента концентраций ионов Н , возникающего при их переносе через клеточную мембрану компонентами дыхательной цепи. Протонный потенциал А Ян+ создается двумя компонентами осмотическим, возникающим вследствие разности концентраций протонов (АрН) по сторонам мембраны, и электрическим, обусловленным разностью электрических потенциалов (Аф) на поверхностях внутренней мембраны митохондрий [c.325]

По хемиосмотическому механизму превращение различных форм энергии осуществляется следующим образом окислительно-восстановительная энергия переносчиков -V энергия электрохимического градиента протонов -v энергия АТФ. Гипотеза основывается на нескольких предпосылках 1) мембрана непроницаема для воды и протонов 2) мембрана разделяет реакционное пространство на внешнее и внутреннее 3) в ее состав входят переносчики электронов, обеспечивающие асимметрическое распределение протонов по обе стороны мембраны 4) цепь транспорта расположена поперек мембраны. [c.105]

В работах лабораторий Либермана п Скулачева расположение дыхательной цепи определялось по ее способности образовывать мембранный потенциал. В среду вводились различные доноры и акцепторы электронов, не проникающие сквозь мембрану. Оказалось, что эти вещества взаимодействуют лишь с цитохромом с в митохондриях. Установлено, что транспорт протонов и (или) электронов по дыхательной цепи действительно происходит. В других экспериментах определена локализация компонентов в мембране митохондрий. На рис. 13.10 показано вероятное расположение цепн. Согласно хемиосмотической гипотезе, любая сопрягающая система должна создавать электрохимический потенциал понов Н ". Действительно, опыты с проникающими синтетическими ионами показали возникновение А1 5 в митохондриях, СМЧ, хлоропластах (см. гл. 14) и мембранах бактерий. В то же время теория Митчелла встречается с трудностями и вызывает возражения. Блюменфельд приводит аргументы, показывающие невозможность построения машины Митчелла в конденсированной фазе. В такой машине АТФ-синтетаза использует разность концентраций протонов в водной фазе по обе стороны мембраны для выполнения внешней работы. Это — энтропийная машина, получающая энергию из термостата в форме кинетической знергип протонов. Нротоны движутся преимущественно по градиенту концентраций и передают свои импульсы подвижным частям машины разность потенциалов А1 5 расходуется на создание [c.437]

Хемиосмотическая гипотеза, сформулированная английским биохимиком Питером Митчеллом, исходит из совершенно иного, нового принципа. Постулируется, что перенос электронов сопровождается выкачиванием ионов Низ матрикса через внутреннюю митохондриальную мембрану в наружную водную среду. Вследствие этого между двумя сторонами внутренней митохондриальной мембраны возникает градиент концентрации ионов Н (трансмембранный градиент). Синтез АТР, требующий затраты энергии, осуществляется именно за счет осмотической энергии, присущей этому градиенту. Можно думать, что именно хемиосмотическая теория наиболее точно отражает организуюхций принцип окислительного фосфорилирования. Рассмотрим некоторые характерные особенности этого процесса, свидетельствующие в пользу хемиосмотической гипотезы. [c.528]

Именно те свойства митохондрий, которые мы только что рассмотрели, послужили основой для разработки хемиосмотической гипотезы (рис. 17-19). Согласно этой гипотезе, функция переноса электронов, происходящего во внутренней митохондриальной мембране, заключается в том, чтобы откачивать ионы Н из матрикса митохондрии в наружную среду и таким путем создавать между двумя водными фазами, которые разделяет эта мембрана, градиент концентрации ионов Н с более кислым значением pH снаружи. Такой градиент, при котором концентрация ионов Н снаружи выше, чем внутри митохондрии, обладает потенциальной энергией (разд. 14.16). Хемиосмотическая гипотеза постулирует далее, что ионы Н , выведенные наружу за счет энергии переноса электронов, снова устремляются внутрь, в митохондриальный матрикс, через специальные каналы, или поры , для этих ионов в молекулах FoFi-АТРазы. В этом случае они перемещаются по градиенту концентрации и во время их перехода через молекулы АТРазы выделяется свободная энергия. Именно эта энергия и служит движущей силой для сопряженного синтеза АТР из ADP и фосфата. [c.531]

Рис. 17-19. Сопряжение переноса электронов с синтезом АТР в свете хемиосмотической гипотезы. Согласно этой гипотезе, цепь переноса электронов можно представить себе как насос, перекачивающий ионы Н" . Энергия, высвобождаемая при переносе электронов, используется для перемещения ионов Н" из митохондриального матрикса наружу, что приводит к возникновению электрохимического Н -градиента с более высокой концентращ1вй ионов Н в наружной водной фазе. Этот же процесс ведет к появлению трансмембранного электрического потенциала - наружная сторона мембраны оказывается электроположительной.

От всех NAD-зависимых реакций дегидрирования восстановительные эквиваленты переходят к митохондриальной NADH-дегидрогеназе, содержащей в качестве простетической группы FMN. Затем через ряд железо-серных центров они передаются на убихинон, который передает электроны цитохрому Ъ. Далее электроны переходят последовательно на цитохромы j и с, а затем на цитохром аа , (цитохромоксидазу), которая содержит медь. Цитохромоксидаза передает электроны на О2. Для того чтобы полностью восстановить Oj с образованием двух молекул HjO, требуются четыре электрона и четыре иона Н. Перенос электронов блокируется в определенных точках ротеноном, антимицином А и цианидом. Процесс переноса электронов сопровождается значительным снижением свободной энергии. В трех участках дыхательной цепи происходит запасание энергии в результате синтеза АТР из ADP и Р . Окислительное фосфорилирование и перенос электронов можно разобщить, воспользовавшись для этого разобщающими агентами или ионофорами, такими, как валиномицин. Для того чтобы могло происходить окислительное фосфорилирование, внутренняя митохондриальная мембрана должна сохранять свою целостность и должна быть непроницаемой для ионов Н и некоторых других ионов. Перенос электронов сопровождается выталкиванием ионов Н из митохондрий. Согласно хемиосмотической гипотезе (одной из трех гипотез, предложенных для объяснения механизма окислительного фосфорилирования), перенос электронов создает между двумя сторонами внутренней митохондриальной мембраны градиент концентрации ионов Н , при котором их концентрация снаружи выше, чем внутри. Предполагается, что именно этот градиент служит движущей силой синтеза АТР, когда ионы Н, возвращающиеся из цитозоля в матрикс, проходят через [c.545]

И. Окислительное фосфорилирование в инвертированных субмитохондриальных пузырьках. Согласно хемиосмотической гипотезе, во время переноса электронов из интактных митохондрий откачиваются наружу ионы Н, что приводит к возникновению градиента pH между двумя сторонами митохондриальной мембраны. Этот градиент pH заключает в себе энергию, благодаря которой ионы Н перемещаются в обратном" направлении-из окружающей среды в митохондриальный матрикс. При этом ионы Н проходят через молекулы FoFi-АТРазы, чем обеспечивается синтез АТР из ADP и Р,. Удалось показать, что полученные из внутренней митохондриальной мембраны инвертированные пузырьки, у которых FoFi-АТРазные головки обращены наружу (рис. 17-15), тоже способны к окислительному фосфорилированию. [c.549]

Сколько ионов Н содержится в одной митохондрии Хемиосмотическая гипотеза предполагает, что в результате переноса электронов ионы Н выталкиваются из матрикса митохондрий наружу, вследствие чего между двумя сторонами митохондриальной мембраны возникает градиент pH, при котором наружная фаза оказывается более кислой, чем внутренняя. Способность ионов Н диффундировать в обратном направлении, из окружающей среды в митохондриальный матрикс (где их концентрация ниже), служит, согласно этой гипотезе, движущей силой для синтеза АТР, катализируемого -АТРазой. В митохондриях, суспендированных в среде с pH 7,4, происходит окислительное фосфорилирование. Найдено, что pH митохондриального матрикса равен при этом 7,7. [c.550]

НЫЙ ПОТОК ионов Н+ через тилакоидную мембрану, направленный снаружи внутрь. Под влиянием индуцированного светом потока электронов возникает, следовательно, трансмембранный градиент концентрации ионов Н +, так что с внутренней стороны тилакоидных пузырьков среда становится более кислой, чем с наружной. Все эти свойства согласуются с хемиосмотической гипотезой, предложенной первоначально для объяснения ркислительного фосфорилирования, а позднее распространенной и на фотосинтетическое фосфорилирование. Схема на рис. 23-16 изображает поток ионов Н +, движимых световой энергией ионы Н+ поступают из стромы внутрь тилакоида и вновь возвращаются наружу через молекулы АТРч интетазы. [c.700]

Хемиосмотическая гипотеза Митчелла связывает образование АТФ из АДФ с возникновением отрицательного градиента pH в хлоропластах но отношению к внешней среде при транспорте электронов под действием света (протонная помпа) [49]. Трансмембранный градиент pH в хлоропластах создает электрохимический потенциал, обеспечивающий фосфорилирование. Ингибиторы фосфорилирования и так называемые разобщители (среди них ионы аммония) могут уменьшить трансмембранный градиент pH из-за повышения проницаемости мембран хлоропластов, а не разрушать промежуточный X. Доводом в пользу хемиосмотической гипотезы является то, что синтез АДФ—>-АТФ возможен и в темноте, без всякого действия света, если в изолированных хлоропластах создать искусственно градиент pH [50]. Для этого их сначала помещают в раствор с низким pH, а затем быстро в раствор с высоким pH. Существует мнение о конкурентном образовании АТФ и трансмембранного протонного градиента из макроэргиче-ского соединения X [c.34]

Хемиосмотическая гипотеза энергетического сопряжения, в живой клетке получила в последнее время много экспериментальных подтверждений. Эта гипотеза, которую многие специалисты называют уже теорией, не отрицает существования предшественника АТФ в системе окислительного фосфорилирования, но свойство унифицированной формы энергии относит к трансмембранному электрохимическому потенциалу ионов водорода Н+ ((Лцн ). Таким образом, клетка имеет две формы унифицированной энергии — химическую в форме АТФ и энергию в форме мембранного потенциала. Через мембранный потенциал энергия окисления трансформируется затем в дмическую работу (синтез АТФ, обратный перенос электронов в других местах энергетического сопряжения), в осмотическую работу (транспорт ионов против градиента через мембрану), в тепло. Главная же функция мембранного потенциала — сопряжение процессов окисления и фосфорилирования. [c.409]

В настоящее время наиболее экспериментально обоснованной считают хемиосмотическую гипотезу, предложенную П. Митчеллом. Предполагают, что в процессе переноса электронов по дыхательной цепи, сосредоточенной в митохондриальной мембране, возникает градиент концентрации ионов Н+ (или Ам н" — разность электрохимических потенциалов ионов водорода) в направлении, перпендикулярном митохондриальной мембране. Этот градиент возникает в результате удаления ионов Н+ из внутримитохондриального пространства в окружающую среду и поддерживается за счет уменьшения свободной энергии, сопровождающего перенос электронов. Предполагают, что ионы Н+, образующиеся при переносе электронов, удаляются в цитоплазму, а потребляемые ионы Н+ (для связывания гидроксилов) могут извлекаться только из внутреннего пространства митохондрий. Следовательно, градиент ионов Н+ есть богатое энергией состояние, сохраняющее энергию переноса электронов, и представляет собой движущую силу процесса фосфорилирования [3, 8, 14]. [c.425]

Рис. 4.10. Метаболические пути выработки энергии в митохондрии. Показано сопряжение окислительного фосфорилирования с движением ионов через мембрану митохондрии согласно хемиосмотической гипотезе. Ионы Н+ образуются в цикле трикарбоновых кислот. Ферменты цепи переноса электронов являются компонентами внутренней мембраны митохондрии. Свободная энергия электронов используется для переноса Н+ наружу через мембрану, что создает градиент Н+ между ее двумя сторонами. Потенциальная энергия, заключенная в этом градиенте, используется для синтеза АТР. (Hopkins, 1978.)

За прогиедший период хемиосмотическая гипотеза Митчелла получила целый ряд экспериментальных подтверждений. Одним из доказательств роли протонного градиента в образовании АТР при окислительном фосфорилировании может служить разобщающее действие на этот процесс некоторых веществ. Известно, что 2,4-динитрофенол (2,4-ДНФ) подавляет синтез АТР, но стимулирует транспорт электронов (поглощение О2), т. е. разобщает дыхание (окисление) и фосфорилирование. Митчелл предположил, что такое действие 2,4-ДНФ связано с тем, что он переносит протоны через мембрану (т. е. является протонофором) и поэтому разряжает ее. Это предположение полностью подтвердилось. Оказалось, что разные по своей химической природе вещества, разобщающие окисление и фосфорилирование, сходны в том, что, во-первых, они растворимы в липидной фазе мембраны, а, во-вторых, это слабые кислоты, т. е. легко приобретают и теряют протон в зависимости от pH среды. В. П. Скулачев на искусственных фосфолипидных мембранах показал, что чем легче вещество переносит протоны через мембрану, тем сильнее разобщает эти процессы. Другое экспериментальное подтверждение роли протонного градиента в фосфорилировании было получено Митчеллом, который сообщил о синтезе АТР в митохондриях в результате замены щелочной инкубационной среды на кислую (т. е. в условиях искусственно созданного трансмембранного градиента ионов Н ). [c.159]

Таким образом, хемиосмотическая гипотеза полярного передвижения ауксина и гипотеза активного транспорта похожи в двух отношениях 1) согласно обеим гипотезам, поглощение ИУК (в виде ИУКН) происходит путем пассивной диффузии 2) обе гипотезы предполагают неравномерное распределение молекул переносчика ауксина в плазмалемме. Различие заключается в том, что, согласно гипотезе активного транспорта,, энергия необходима непосредственно для работы переносчика, тогда как хемиосмотическая гипотеза предполагает, что движение ауксина термодинамически выгодно и что энергия необходима только для поддержания pH, электрических градиентов и полярной проницаемости. Хотя некоторые экспериментальные данные свидетельствуют в пользу хемиосмотической гипотезы полярного передвижения ауксина, необходимы дополнительные исследования, чтобы полностью оценить ее преимущества в сравнении с уже давно принятой гипотезой активного транспорта. [c.172]

Связь между протонным насосом, создающим трансмембранный градиент концентрации Н+, и образованием АТР (хемиосмотическая гипотеза Митчелла) активно изучается на самых разнообразных объектах — мутантах водорослей, целых и лопнувших хлоропластах, препаратах субхлоропластных мембран. При этом исследуется влияние сопрягающих факторов и АТРаз, антител, ингибиторов и разобщителей, регуляторов электронного транспорта и т. п. Локализация образования АТР точно еще не установлена. Обнаружены два участка, связанных с фотосистемами I и И, в которых синтез АТР сопряжен с транслокацией протонов. До снх пор не установлена точная стехиометрия процесса фотофосфори-лирования, т. е. отношение ЫАОРН/АТР. Иначе говоря, неизвестно, чему равно отношение АТР/2е- (1,0, 1,33 или 2,0 ), а это очень важное значение, поскольку, получив ответ на этот вопрос, можно узнать, сколько квантов необходимо для фиксации одной молекулы СОг. Значительные успехи достигнуты в изучении структуры АТРазы — 5 белковых субъединиц этого фермента показаны на рис. 8.1. Постепенно выявляются и свойства этих субъединиц — способность к связыванию с мембраной, ингибиторная активность, протонный обмен, связывание фосфатов и т. п. [c.119]

В 1961 г. английский биохимик П. Митчел выдвинул хемиосмо-тическую (электрохимическую) гипотезу энергетического сопряжения окисления и фосфорилирования, которая в дальнейшем получила подтверждение и развитие во многом благодаря работам советских ученых (В. П. Скулачев, Е. А. Либерман). Принцип хемиосмотического сопряжения иллюстрирует рис. VI. 14. Субстрат АНг —донор водорода — окисляется на активном центре фермента, встроенного на внешней стороне мембраны митохондрии. При этом 2Н+ и А выбрасываются в окружающую среду, а два электрона переносятся на внутреннюю сторону мембраны по так называемой дыхательной цепи, ориентированной поперек мембраны. Локализованный на внутренней стороне переносчик электронов передает электроны акцептору водорода В (например, кислороду), который присоединяет 2Н+ из внутримитохондриального матрикса. Таким образом, окисление одной молекулы АНг приводит к возникновению 2Н+ во внешнем пространстве и исчезновению 2Н+ из внутреннего пространства митохондрии. Возникший градиент ионов водорода генерирует трансмембранный потенциал, который оказывается достаточным по величине для осуществления реакции фосфорилирования. Последняя состоит во взаимодействии АДФ с фосфатом Ф и приводит к образованию АТФ с поглощением 2Н+ из внешнего пространства и выделением 2Н+ в матрикс. Величина трансмембранного потенциала сравнительно 160 [c.160]

Существует несколько гипотез, объясняющих механизм сопряжения. Одной из них является хемиосмотическая теория. Цепь транспорта электронов функционирует как протонная (Н+) помпа, осуществляя перенос протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. Эндоэргический процесс выброса протонов из матрикса возможен за счет экзоэргических окислительно-восстановительных реакций дыхательной цепи. Перенос протонов приводит к возникновению разности концентрации с двух сторон митохондриальной мембраны более высокая концентрация будет снаружи и более низкая - внутри. Митохондрия в результате переходит в энергизованное состояние, так как возникает градиент концентрации Н+ и одновременно разность электрических потенциалов со знаком плюс на наружной поверхности. [c.177]

В чем же более конкретно состояла гипотеза П. Митчела Митчел предположил, что окисление пищи приводит к возникновению разности потенциалов на мембране митохондрий за счет выхода протонов из митохондрий, затем эта электрическая энергия тратится на синтез АТФ. Митчел назвал свою гипотезу хемиосмотической, подчеркивая, что химическая энергия пищи преобразуется в создание градиента Н" , т. е. тратится на создание осмотической работы. [c.266]