и при прохождении сквозь мембрану одного иона выражается уравнением

АО=-5,708.ДрН=96,5Аг|) кДж. (10-18)

Суммарный эффект градиента рН и мембранного потенциала (оба показателя выражают в вольтах) называют протонодвижущей силой, описываемой следующим уравнением:

Протонодвижущая сУла=Дф—(RT/F) АрН, (10-19)

где RT/F —0,0592 при 25 °С. Поскольку мембранный потенциал как митохондрий, так и хлоропластов непосредственно измерить очень трудно, этот постулат не прошел необходимой проверки1'. Тем не менее гипотеза Митчелла стимулировала постановку множества экспериментов и обычно рассматривается как одна из наиболее важных существующих на сегодня концепций мембранной биологии.

Как же теперь объяснить накопление ионов митохондриями? Как показано в нижней части рис. 10-12, электронейтральность можно сохранять двумя способами. Перенесенные на наружную сторону протоны можно уравновесить параллельным потоком противоионов Х~. С другой стороны, если на каждые два протона, проходящие наружу, проникает внутрь такой катион, как Са2* то нейтральность тоже будет сохранена, но в митохондриях при этом должно наблюдаться накопление ионов Са2+. Экспериментально было показано, что перенос электронов действительно сопровождается накоплением катионов. Накапливаются не только ионы кальция; в присутствии подходящего ионофора (гл. 5, разд. Б, 2,в) может наблюдаться «энергозависимое» накопление ионов калия [99].

1) Мембранный потенциал оценивается косвенным образом, например исходя иа распределения ионов К+ на разных сторонах митохондриальных мембран в присутствии валииомицииа i[98a] или с помощью красителей, меняющих флуоресценцию в зависимости от мембранного потенциала [98Ь]. Исследовались и мембранные пузырьки клеток Е. coli [98с], но интерпретация результатов остается противоречивой [98d].

Можно ли хотя бы мысленно представить конструкцию протонного насоса и ориентированной АТРазы, приводимой в действие потоком электронов? Мы рассмотрим только одну чисто гипотетическую модель. Чтобы нуклеофил Y мог образовать богатую энергией связь Y~ Р прямой атакой атома фосфора PI, необходимо удалить ион ОН-. При рН 7 вероятность такой реакции очень мала, но она может стать заметной при более низких рН. Таким образом, мы можем себе представить, что функция ориентированной АТРазы состоит в том, чтобы захватывать протон и специфически удерживать его вблизи атома кислорода, который должен быть элиминирован [уравнение (10-20)]. А как можно направить протон в точно нужное место? Вероятно, он мог бы проходить по каналу в мембране, который и доставляет его в требуемый участок. Пожалуй, еще легче себе представить, что протон

Межмем^бранное пдрст-рансп?во (снаружи)

Мембрана

Матрикс {внутри)

2 Н+'

Протоны уходят из ма транса, понижая его [Н ]

Накопление положительных зарядов на поверхности мембраны индуцирует „мембранный потенциал '*

Н+

н+ н+ н+

Х-ХX"

Х-ХСа2+

ADP + Р;

Ориентированная АТРаза осуществляет сопряжение синтеза АТР с обратным нотохт протонов через тморйЦЦ

Злектронейтральность при выводе протонов может поддерживаться диахрузией внутри катионов, таких, как Саг+

РИС. 10-12 Принципиальные черты хнмно-осмотической теории окислительного фосфорилирования.

специфически генерируется в нужном месте непосредственно в процессе переноса электронов.

Нуклеодтил У атакует Р, непосредственно образуя высокоэнергетическое соединение Y~ Р

Протон, специфически ' поставляемый в это. место,усиливает электро-фильнасть кислорода и способствует удалению воды

(Ю-20)

Теперь подумаем, к чему приведет окисление атома железа в цитохроме из Fe2+ в Fe3+. Вполне естественно представить, что удаление электрона вызовет цепь электронных перемещений в координационно связанном гистидине, в примыкающем к нему пептиде и в других полярных группах [уравнение (10-21)], вследствие чего около фосфата появится лишний протон.

\ н

w н"-°=с\ _/х- (10"21)

о о

е- Лент и у У —

Можно представить себе, что эта цепь перестроек дойдет до соседнего белка и достигнет активного центра белка FY Тем самым мы совершили полный круг и опять начинаем искать нечто вроде «высокоэнергетического промежуточного соединения». У многих биохимиков есть такое ощущение, что, когда окислительное фосфорилирование получит полное объяснение, окажется, что доля истины была во всех имеющихся на сегодня и конкурирующих между собой воззрениях.

10. Энергозависимые процессы в митохондриях

Синтез АТР в митохондриях сильно ингибируется олигомицином. Однако имеются и, такие процессы, которые, потребляя энергию из цепи переноса электронов, в то же время нечувствительны к олигомицину. К таким процессам относится ионный транспорт через митохондриаль-ную мембрану и другой энергозависимый процесс — «обращенный поток электронов» от сукцината к NAD+ (разд. Д,7). В обоих случаях олигомицин не оказывает никакого действия, однако динитрофенол и другие разобщающие агенты блокируют оба процесса. Все эти факты станут понятными, если предположить, что в присутствии