ХЕМИОСМОТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ. ТРАНСМЕМБРАННЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПРОТОННЫЙ ГРАДИЕНТ Усманова Резеда

Казань, КГУ, 2010 г.

Хемиосмотическая теория

The Nobel Prize in Chemistry 1978

За разработку хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования.

Хемиосмотическую гипотезу постулировал Питер Митчелл в 1961 г.

Электрохимический трансмембраннный потенциал ионов Н+ и является источником энергии для синтеза АТФ за счет обращения транспорта ионов Н+ через протонный канал мембранной Н+-АТФазы.

П. Митчел ввел понятие сопрягающей мембраны, непроницаемой для ионов Н+. Он полагал, что в таких мембранах происходит сопряжение процессов окисления, трансмембранного транспорта протонов и синтеза АТФ.

Peter D. Mitchell За разработку хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования П. Митчеллу в 1978 г. была присвоена Нобелевская премия. 2

ЭТЦ

3

Экспериментальное подтверждение теории Митчела: Американский Эфраим Рэкер в 1973 г.

получил биоэнергетик везикулы (липосомы) из сои и встроил в них хромопротеин бактериородопсин мембранные из галофильной Halobacterium также Регистрировались не археи halobium, АТФ-синтазу митохондрий сердца быка.

а только генерация градиента протонов, но и синтез АТФ.

мембранного 4

Экспериментальное подтверждение теории Митчела: 2,4-динитрофенол синтез стимулирует АТФ, подавляет кислорода.

Митчел предположил, но синтез что такое действие 2,4-ДНФ связано с тем, что он переносит протоны через мембрану и разряжает её.

5

ATP ADP + H + H 2 2 ATP: универсальная или конвертируемая форма клеточной энергии в клетке O O ADP AMP + + P i P i + + H H + +  G o’ = -7.3 kcal/mol (  G in cells = -12 kcal/mol)  G o’ = -7.3 kcal/mol 6

1.

2.

Положения Теории Митчела:

ЭТЦ функционирует так, что на мембране возникает электрохимический градиент ионов Н + ; Обратный ток ионов Н сопровождается образованием энергии фосфатной связи АТФ.

+ через протонный канал ADP + Pi + Н + H2O + ATP 

Go’ = +7.3 kcal/mol

7

Преобразование энергии на сопрягающих мембранах связано с образованием электрохимического протонного градиента Система трансформации энергии включает следующие компоненты: • Замкнутая сопрягающая мембрана; 8

Система трансформации энергии включает следующие компоненты:

9

• Локализация в мембране ЭТЦ; 10

11

▪ Преобразование энергии на сопрягающих мембранах связано с образованием электрохимического протонного градиента Трансмембранный электрохимический протонный градиент ΔμН+,генерируемый работой цепи; ▪ АТФ-синтаза, катализирующая синтез АТФ из АДФ и Фн за счет энергии ΔμН+.

12

Трансмембранный электрохимический протонный градиент и его составляющие

• • Протон движущая сила(∆ρ) или ΔμН + состоит из двух компонентов: Градиент ∆рН, концентрации ионов Н стороны мембраны; т.е. разность + по обе Мембранного потенциала ∆ψ, созданного стороне избытком положительного заряда на одной мембраны и отрицательной – на другой.

∆ρ=ΔμН + /F= ∆ψ-59∆рН [мВ] Copyright © 1998-2007 by Joyce J. Diwan. All rights reserved.

13

Трансмембранный электрохимический протонный градиент

рН с наружной стороны на 1,4 единицы ниже, чем с внутренней, и мембранный потенциал составляет 0,14 В, причем наружная сторона несет положительный заряд.

Общий электрохимический потенциал ∆ρ(в вольтах): ∆ρ=∆ψ – RT/F ∆рН = ∆ψ – 0,06 ∆рН = 0,14-0,06(-1,4) = 0,224 В.

В приведенном ниже уравнении R-газовая постоянная, T-абсолютная температура, F-число Фарадея.

Общая протондвижущая сила в 0,224 В соответствует свободной энергии 5,2 ккал в расчете на 1 моль протонов.

14

Протонный градиент

15

Дыхательный контроль

Зависимость митохондриального окисления концентрации АДФ получила название (дыхания)

дыхательного контроля.

от Для количественной оценки энергетического состояния клетки Д.Аткинсоном введен расчет энергетического заряда системы АТФ-АДФ-АМФ по уравнению Энергетический заряд=1[АДФ]+2[АТФ]/2[АМФ]+[АДФ]+[АТФ] Если все содержащиеся в клетке АТФ, то система «заполнена» и ее энергетический заряд равен 1,0.

Если аденозинфосфаты находятся в форме АМФ, то система не содежит высокоэнергет. Связей и её заряд равен 0.

Часть свободной энергии(более 50%), которая не кумулируется в форме макроэргов (АТФ), освобождается в виде теплоты и у теплокровных животных используется для поддержания температуры тела.

16

Ингибиторы ЭТЦ

17

ВЫВОДЫ 1.

2.

3.

4.

Первичным запасающим энергию актом является перенос протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану.

При отсутствии потребности в синтезе АТФ переноса электронов от топливных молекул на О 2 не происходит.

Протонные градиенты занимают центральное место во взаимопревращениях одного вида энергии в другой.

Окислительное фосфорилирование помощи протонных градиентов.

воплощает основную концепцию биоэнергетики: передачу свободной энергии при 18