Питер Митчелл. Нобелевский лауреат по химии 1978 года

Министерство  образования и науки Российской Федерации 

государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования 

«Нижегородский  государственный университет им. Н.И.Лобачевского» 
 
 
 

Химический  факультет 
 
 
 
 
 
 
 

Питер Митчелл. Нобелевский  лауреат по химии 1978 года. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила:

студента  гр. 21МХ д/о

Наянова Е.В 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нижний  Новгород

2011 год 
 

Содержание 
 

1.   Биография Питера Митчелла

2.   Теория Митчелла

2.1 История проблемы

2.2 Дыхательная  цепь и ее компоненты

2.3 Хемиосмотический  механизм запасания энергии дыхания

2.4 Компоненты  дыхательной цепи- транслокаторы протонов

3.     Заключение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Биография

Митчелл родился в Митчеме (графство Суррей), в семье служащего Кристофера Гиббса Митчелла и Кейт Беатрис Дороти Тэплин Митчелл. Окончил Королевский колледж в Тонтоне, однако вступительные экзамены в 1939 в колледж Иисуса Кембриджского университета сдал так плохо, что, не будь рекомендательного письма его преподавателя, не был бы принят. В Кембридже изучал естественные науки и в 1943 получил степень бакалавра с отличием. В том же году он приступил к подготовке диссертации под руководством Дж.Ф.Даниэлли, у которого занимался исследованием процесса переноса веществ через клеточные мембраны. В 1950 защитил диссертацию о механизме действия пенициллина, открытого в 1928 А.Флемингом. Был оставлен при кафедре биохимии в Кембридже. Здесь Митчелл исследовал механизм окислительного фосфорилирования (таким путем образуется 95 процентов энергии у аэробных организмов) и очень похожий на него механизм фотосинтетического фосфорилирования (при котором большое количество необходимой для своей жизнедеятельности энергии растения получают от солнца). К тому времени как Митчелл начал заниматься существовала теория Фрица Липмана, согласно которой аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) служит универсальным источником энергии. Функции обменных процессов, таких, как дыхание, ферментация и фотосинтез, невозможны без АТФ, т.к. именно она поддерживает различные энергетические процессы с помощью своих богатых энергией фосфорильных связей. Таким образом, четко вырисовывались главные контуры биоэнергетики (науки о передаче энергии живыми организмами), оставалось только отработать детали на молекулярном уровне. Задача эта, однако, была чрезвычайно трудной, поскольку ферменты окислительного и фотосинтетического фосфорилирования тесно связаны с липопротеидами мембран митохондрии (крошечными круглыми или палочкообразными структурами в цитоплазме клеток) и хлоропластами (содержащими хлорофилл органоидами клеток растений и животных). Эта тесная связь служила препятствием для проведения какого бы то ни было детального молекулярного анализа в растворах. Целый ряд исследователей занимался описанием главных структур механизма окислительного фосфорилирования. Они узнали, что в процессе дыхания электроны от различных субстратов (веществ, подвергающихся действию фермента) к кислороду переносит своего рода каскад ферментов. Синтез АТФ следует за каталитическим действием ферментного комплекса, известного как АТФ-аза (аденозинтрифосфатаза). Что касается хлоропластов, то электроны, высвобождаемые при поглощении света хлорофиллами, продвигаются через серию носителей к своей конечной цели – воде. Синтез АТФ осуществляется комплексом АТФ-азы с молекулярной структурой, очень напоминающей структуру митохондриальных мембран. В ходе этого исследования возник важный вопрос: каким образом энергия, освобожденная в ходе переноса электронов, ''толкает'' АТФ-азу к синтезу АТФ? Поиски молекулярных механизмов опирались на теорию, согласно которой цепь реакций, происходящих в процессе дыхания, и АТФ-аза связаны между собой обладающими высокой энергией промежуточными продуктами, схожими с теми, что возникают в ходе реакций, где катализаторами служат растворимые ферменты. М. специально не изучал митохондрии. Он занимался исследованием метаболического переноса, который осуществляется через цитоплазмовые мембраны бактерии. Эта тема увлекла его еще тогда, когда он был студентом в Кембридже. На этой кафедре он работал до 1955, а затем по приглашению профессора Майкла Свенна стал сотрудником кафедры зоологии Эдинбургского университета, однако покинул работу в 1963 из-за обострившейся язвы желудка.

В 1958 Митчелл  и его коллега Дженнифер Мойл пришли к выводу, что ферментативные реакции являются, как правило, векторными. Эти два ученых предположили далее, что направление таких реакций (хотя в растворе оно и остается непонятным), видимо, должно проясниться, когда ферменты включаются в мембрану. Фактически ферментативный комплекс может так твердо укрепиться в мембране, что ''маршрут'' реакции пересечет этот барьер, немедленно катализируя дислокацию химической группы. Они назвали этот процесс векторным метаболизмом . В 1961 Митчелл опубликовал в журнале «Nature» небольшую статью, где высказал соображения о роли мембран в биохимических процессах.

 С 1963 по 1966 он полностью отошел от научной работы и занялся реставрацией Глинн-Хауса, здания эпохи регенства в живописной лесной местности Глинн-Вэлли около Бодмина в Корнуэлле. Был одновременно и архитектором, и оформителем, и прорабом. В этом ему помогала Мойл. Цель реставрации – превращение особняка в Исследовательские лаборатории Глинна в Глинн-Хаусе. Штат лабораторий состоял из двух сотрудников – Митчелла и Мойл, а требуемый для работы взнос в размере 250 000 фунтов был сделан самим Митчеллом и его братом Кристофером Джоном. С 1964 г. М. возглавляет научно-исследовательскую работу в лабораториях Глинна в Корнуэлле

В 1966 гг. М. сформулировал хемиосмотическую гипотезу (такое название ученый дал ей сам) – радикальное решение проблемы соединения энергии в механизмах окислительного и фотосинтетического фосфорилирования. Он предположил, что цепь реакций, осуществляющихся в процессе дыхания, представляет собой последовательность сменяющих друг друга носителей водорода и электронов. Эти носители таким образом организованы во внутренней митохондриальной мембране, что они переносят протоны (трипептиды) через мембрану. Поскольку митохондриальная мембрана не допускает пассивного тока протонов, в процессе дыхания генерируется электрохимическая разность потенциалов для ионов водорода с электрически отрицательным внутренним межклеточным веществом и щелочной соотнесенностью с внешним межклеточным веществом. Протоны на внешней поверхности стремятся назад во внутриклеточное вещество. Именно этот поток протонов, который можно сравнить с потоком электронов в батарее, и выполняет всю работу. Согласно хемиосмотической гипотезе, существование химической взаимосвязи между цепью реакций, происходящих в процессе дыхания, и АТФ-азой невозможно. Этот вывод сделал выдвинутую Митчеллом теорию непопулярной среди многих биохимиков, причем некоторые из них подвергали сомнению обоснованность предположений ученого. Митчелл изложил свои взгляды в книге, которую не взялся напечатать ни один издатель. Автор размножил рукопись сам и разослал ведущим биохимикам мира. В ответ он получил ожесточенную критику – ведь в хемиосмотической гипотезе отсутствовала химическая взаимосвязь между цепью реакций, происходящих в процессе дыхания, и ферментом АТФ-азой.

Непрекращающийся  скептицизм восприятия этой радикальной  концепции и ведущиеся вокруг нее дискуссии убедили ученого в необходимости выступить в ее защиту, доказав истинность содержащихся в ней положений конкретными фактами. Получить такие данные было нелегко. Для этого надо было разработать новые методы исследования. В конце концов исследователи создали комплекс количественных и визуальных методов. Теперь с их помощью предстояло подвергнуть тщательной проверке заложенные в хемиосмотической гипотезе научные предвидения. Исследовательская работа, стимулируемая дебатами в небольшом кружке биоэнергетиков, велась удивительно продуктивно как в экспериментальном, так и в теоретическом плане. Главный вопрос, который волновал ученых, заключался в том, соответствуют ли принципы хемиосмотической гипотезы и практические результаты, которые могут быть получены с ее помощью, принятым стандартам.

К 1970 г. чаша весов склонилась в пользу созданной  М. концепции, в ее поддержку выступил ряд ученых Великобритании, США и СССР. В 1978 г. Митчеллу была присуждена Нобелевская премия по химии ''за внесенный им вклад в понимание процесса переноса биологической энергии, сделанный благодаря созданию хемиосмотической теории''. Во вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук Ларе Эрнстер обратил внимание на дискуссии, вызванные теорией , отметив весомость представленных в ответ экспериментальных данных. В заключение он указал на ряд практических достоинств работы ученого: ''Хлоропласты, митохондрию и бактерии можно рассматривать как естественным путем образующиеся солнечные и топливные элементы, и в этом своем качестве они могут служить моделью, а в будущем, вероятно, и ''строительным материалом'' для энергетической технологии''.. В 1958 г. он женится на Хелен Френч. У супругов три сына и дочь. Работает ученый очень много, однако выкраивает время и для участия в общественной жизни. Он борется за сохранение природных ресурсов, восстанавливает здания ферм периода средневековья. Помимо Нобелевской премии, был удостоен награды Льюисса и Берта Фридмана Нью-Йоркской академии наук (1976), награды Льюиса Розенстила за выдающуюся работу в области фундаментальных медицинских исследований Университета Брандейса (1977), медали Копли Лондонского королевского общества (1981) и почетной медали Афинского муниципального совета (1982). Он член Лондонского королевского общества, иностранный член американской Национальной академии наук и Королевского общества Эдинбурга. Ученому присвоены почетные степени Технического университета Берлина, университетов Чикаго, Восточной Англии, Ливерпуля, Бристоля, Эдинбурга и многих других.

С годами его все больше интересовали не взаимодействия молекул, а взаимоотношения между  отдельными людьми в цивилизованном мире, особенно аспект подавления индивидуальности во все более коллективистском человеческом сообществе. Собственный опыт деятельности Митчелла в малых коллективах  привел его к заключению, что небольшие  организации во многих отношениях и  более живучи, и более эффективны. Много размышлял над тем, каким  образом можно улучшить взаимоотношения  и кооперацию между свободными и  потенциально независимыми индивидуумами. В частности, он интересовался деньгами, как инструментом личного самоутверждения и средством выбора в свободном обществе. Его возмущало преступное и бесчестное манипулирование системой стоимости денежных единиц, практикуемое большинством правительств.

Умер 10 апреля 1992 в Бодмине. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Теория  Митчелла

ИСТОРИЯ ПРОБЛЕМЫ

Началом изучения дыхания принято считать  классические опыты Антуана Лавуазье (A. Lavoisier), который еще в 1777 году показал, что "чистый воздух, войдя в легкие, выходит из них частично в виде связываемого воздуха или меловой  кислоты. Следовательно, чистый воздух, проходя через легкие, претерпевает такое разложение, которое имеет  место при горении угля". То, что Лавуазье назвал меловой кислотой, было, как мы теперь знаем, углекислым газом (CO2). Начало современным представлениям о внутриклеточном дыхании было положено работами В.И. Палладина в  России (1909 год), Т. Тунберга (T. Thunberg) в  Швеции (1909 год), Г. Виланда (H. Wieland) и  О. Варбурга (O. Warburg) в Германии, выполненными в 20-х годах нынешнего века. К  тому времени уже было известно, что ткани млекопитающих катализируют окисление органических кислот кислородом воздуха. При обсуждении механизма  этого катализа к середине 20-х  годов сформировались две на первый взгляд альтернативные точки зрения. Т. Тунберг и Г. Виланд полагали, что  быстрое окисление химически  инертных органических кислот связано  с существованием в тканях ферментов (дегидрогеназ) - активаторов атомов водорода в молекулах субстратов. О. Варбург считал, что катализ  обусловлен железосодержащим ферментом, названным им дыхательным ферментом, активирующим химически инертный кислород. Как часто случается, оказалось, что обе точки зрения верны. Примерно в то же время Д. Кейлин (D. Keilin) в  Кембридже обнаружил существование  в тканях пигментов, названных им цитохромами, окраска которых зависела от наличия кислорода и активности дыхательного фермента Варбурга. Кейлин предположил, а потом элегантными  опытами доказал, что цитохромы  являются связующим звеном между  дегидрогеназами Тунберга и Виланда  и дыхательным ферментом Варбурга. Позднее Кейлин и его ученики  доказали, что существуют несколько  цитохромов, различающихся по своей  окраске и все они являются обязательными компонентами почти  любых живых систем (Кейлин обследовал более 100 различных видов животных и растений). К середине 50-х годов  выяснилось, что некоторые дегидрогеназы, цитохромы Кейлина и дыхательный  фермент Варбурга (дыхательная цепь) прочно связаны с внутренними  мембранами митохондрий. В 60-х годах  Д. Грин (D. Green) с сотрудниками в США  разработал методы разделения, выделения  и очистки компонентов дыхательной цепи. Уже к концу 30-х годов благодаря работам В.А. Энгельгардта, В.А. Белицера и Г. Калькара (H. Kalckar) была установлена тесная связь между процессами окисления (поглощение кислорода) и образования АТР (фосфорилирование). Природа этой связи (сопряжение двух процессов), обеспечивающей главный суммарный процесс биоэнергетики - окислительное фосфорилирование, оставалась загадкой вплоть до 60-х годов, когда П. Митчелл (P. Mitchell) опубликовал гипотезу о хемиосмотическом сопряжении, ставшую спустя примерно двадцать лет общепринятой теорией.

ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ КОМПОНЕНТЫ

До сих  пор при описании процесса внутриклеточного дыхания говорилось, что кислород расходуется на окисление ограниченного  числа органических соединений, образующихся из продуктов питания. В живых  системах наиболее распространены следующие  химические группировки, подвергающиеся окислению:

Во всех приведенных примерах окисление  можно рассматривать как отщепление двух атомов водорода, каждый из которых  состоит из протона и электрона. Протон в водном растворе существует в виде катиона Н⁺, и, если на время забыть об электронах, каждая из приведенных выше реакций будет сопровождаться закислением среды. Электроны в свободном виде в водном растворе существовать не могут, поэтому для протекания этих реакций белки-катализаторы должны содержать ловушку для электронов. В качестве такой ловушки в ферментах-дегидрогеназах служат относительно небольшие (по сравнению с размером белков) органические или неорганические молекулы или атомы разной химической природы. Эти молекулы принято называть кофакторами или простетическими группами. Таким образом, любой белок, катализирующий окислительно-восстановительную реакцию, содержит кофактор, способный к обратимому окислительно-восстановительному превращению. Есть и другая, не менее важная роль кофакторов. Если в клетке в свободном, не связанном с белком состоянии присутствует какая-либо молекула кофактора в достаточном количестве, то атомы водорода, отщепляющиеся от органических молекул в результате действия дегидрогеназ, могут быть запасены в виде восстановленной формы кофактора. Это достигается либо заменой восстановленной формы связанного с ферментом кофактора на его окисленную форму, либо окислением связанного кофактора свободным. Существуют несколько типов свободных кофакторов. В качестве основного служит молекула достаточно сложного химического строения, носящая, согласно принятой биохимиками номенклатуре, название никотинамидадениндинуклеотид (сокращенно NAD).

В процессе восстановления исходно окисленная молекула NAD (обозначают NAD⁺, по заряду участвующей в реакции группы) принимает два электрона и один протон. В грубом приближении можно считать, что все окислительные реакции, катализируемые дегидрогеназами, приводят к универсализации отщепленных атомов водорода и запасанию их в виде NADН. NAD⁺ и NADН хорошо растворимы в воде и присутствуют в значительных количествах в цитоплазме и митохондриях. Дыхательная цепь, состоящая из нескольких ферментов, прочно связанных с внутренней мембраной митохондрий, осуществляет окисление митохондриального NADН кислородом:

В присутствии  кислорода два электрона в  молекуле NADН стремятся перейти  к молекуле кислорода, и такой  переход сопровождается освобождением  энергии. Восстановленная форма NADН  устойчива и без ферментов  не окисляется кислородом. "Водород" (два электрона и протон) в молекуле NADН так же химически устойчив, как химически инертен газообразный водород (Н₂) в смеси с газообразным кислородом (О₂). Такая смесь, однако, известна под названием "гремучий газ", и достаточно искры, чтобы произошел взрыв - мгновенное образование воды, сопровождающееся огромным выделением энергии в виде тепла. Задача, стоящая перед ферментами дыхательной цепи, такова: необходимо провести взрыв так, чтобы освобождающаяся энергия была запасена в форме, пригодной для совершения работы - синтеза АТФ. Уместно подчеркнуть, что ферменты дыхательной цепи замечательны не столько тем, что они, как и всякие другие катализаторы, увеличивают скорость химической реакции (многие окислительно-восстановительные реакции мгновенно протекают в водных растворах и без ферментов), сколько тем, что они упорядоченно переносят электроны от одного компонента к другому (в конечном счете на кислород), постепенно понижая потенциал "водорода" и запасая энергию.

Проследим теперь путь двух электронов от NADН  к кислороду, оставляя пока в стороне  энергетику этого процесса. Суммарный  процесс разбит на три стадии, каждая из которых катализируется тремя  липопротеидными комплексами, встроенными  во внутреннюю мембрану митохондрий. Каждый комплекс (I, III и IV) представляет собой  весьма крупное образование, построенное  из многих полипептидных цепей. Комплекс I, например, состоит из более чем 40 таких цепей (субъединиц) и имеет  молекулярную массу около 1 млн. Комплексы плавают в фосфолипидном море мембраны, так что верхушки и дно этих айсбергов контактируют с водными фазами матрикса и межмембранного пространства митохондрий. Жидкая липидная фаза разрешает двумерную диффузию комплексов в плоскости мембраны, так что комплексы могут встречаться между собой. Каждый комплекс катализирует окислительно-восстановительную реакцию - перенос электронов и, следовательно, как уже отмечалось, содержит в своем составе простетические группы, способные принимать и отдавать электроны. Эти группы представлены разнообразным набором химических структур. Комплекс I содержит в своем составе флавин (производное витамина рибофлавина) и более 20 атомов железа, упакованных в клетки, построенные из атомов серы. Комплекс III содержит железо как в серных клетках, так и в виде комплексов с порфиринами - сложными гетероциклическими молекулами, содержащими четыре атома азота. Такие комплексы называются гемами, а комплексы гемов с полипептидными цепями - цитохромами. В состав комплекса IV (дыхательный фермент Варбурга, цитохромоксидаза) помимо двух различных гемов входят несколько атомов меди, прочно связанных с белком. Кроме этих трех гигантских образований в состав дыхательной цепи входят еще два компонента. Один из них - небольшой белок (молекулярная масса около 13 тыс.), содержащий ковалентно связанный гем - цитохром с. Другой - нерастворимое в воде "жирное" соединение - убихинон, способное выполнять в гидрофобной фазе мембраны такую же функцию, какую выполняет NAD в водном окружении цитоплазмы или матрикса митохондрий.

Убихинон (как окисленный, так и восстановленный) совершенно нерастворим в воде, но хорошо растворяется в средах с низкой диэлектрической постоянной ("жирные" среды). Длинный хвост убихинона, по-видимому, вытянут в плоскости  гидрофобного слоя мембраны, а активная голова может располагаться либо в той же плоскости, либо приближаться к поверхностям мембраны, контактирующим с водными фазами. Важное свойство убихинона, которое понадобится  нам при дальнейшем рассмотрении, состоит в том, что его голова может восстанавливаться ступенчато, принимая последовательно по одному электрону (и протону). При этом возникает  полувосстановленная форма – убисемихинон.

Первая  стадия окисления NADН катализируется комплексом I, один активный центр которого контактирует с водной фазой матрикса (внутреннее пространство митохондрий) и связывает NADH. Два электрона, отщепленные от NADН, путешествуют по окислительно-восстановительным компонентам комплекса I и в конечном счете попадают на убихинон, который связывается с другим активным центром, расположенным внутри гидрофобной фазы мембраны. В результате происходит реакция

NADH + H⁺ + Убихинон →NAD⁺ + Убихинол,

в ходе которой электроны из водного  окружения (в молекуле NADН) попадают в "жирную" фазу мембраны (молекула убихинола). Энергетический потенциал (запас энергии) атомов водорода (Н⁺ ) в молекуле убихинола существенно ниже, чем в молекуле NADН, и в результате реакции освобождается энергия. Если бы такой процесс проходил в гомогенном растворе (независимо от того, катализировался бы он комплексом I или спонтанно), то энергия выделилась бы в виде тепла. На самом деле энергия реакции запасается, но об этом позже.

Восстановленный убихинон (убихинол) отдает электроны  из гидрофобной фазы в водное окружение - на атом железа гема цитохрома с. Этот процесс катализируется комплексом III (при этом электроны путешествуют по атомам железа в составе компонентов комплекса):

Убихинол + 2 цитохром с(железо окислено)→Убихинон +2 цитохром с(железо восстановлено) +2Н⁺

Энергетический  потенциал электронов (теперь в цитохроме  с) становится еще ниже. Окисленный цитохром с хорошо связывается с  комплексом III, а восстановленный - с комплексом IV. Это означает, что комплексы III и IV умеют различать белковые молекулы окисленного и восстановленного цитохрома с (молекулярная масса около 13 тыс.), отличающиеся друг от друга всего на один электрон, - яркий пример того, что связывание малого по размеру лиганда (в данном случае электрона) способно приводить к изменению конформации белка.

Последняя стадия (теперь в реакцию дыхания  вступает собственно кислород) катализируется комплексом IV:

4 цитохром  с + О₂ + 4Н⁺ → 4 цитохром с + Н₂О,

(железо  восстановлено)       (железо окислено)

и электроны, пройдя по атомам железа и меди в  составе комплекса IV, попадают, наконец, на кислород, связывающийся в активном центре цитохромоксидазы, что приводит к образованию воды.

Суммарная реакция, катализируемая дыхательной  цепью, таким образом состоит  в окислении NADH кислородом, приводящем к образованию Н2О. Энергетический потенциал электронов в NADH, который по запасу энергии существенно больше, чем даже в молекуле водорода, оказывается плавно спущенным до стабильного состояния в молекуле воды. При этом освобождается энергия, достаточная для синтеза по крайней мере трех молекул АТР на каждую пару электронов, перенесенных от NADH к кислороду. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ХЕМИОСМОТИЧЕСКИЙ  МЕХАНИЗМ ЗАПАСАНИЯ  ЭНЕРГИИ ДЫХАНИЯ 

При рассмотрении окислительно-восстановительных реакций (собственно обмен электронами) в уравнениях, описывающих эти реакции, постоянно фигурировала другая заряженная частица - ион водорода, протон (Н⁺). Этот знаменательный факт, как оказалось, имеет принципиальное значение для понимания сопряжения между окислительно-восстановительными реакциями и запасанием освобождающейся при этом энергии. На возможность создавать высокие концентрации ионов Н⁺ в клетках при протекании реакции окисления впервые, по-видимому, обратили внимание в 50-х годах Р. Дэвис (R. Davies), А. Огстон (A. Ogston) и Ю. Конвей (E. Konway) при обсуждении вопроса о механизме секреции кислоты клетками желудка. Если представить себе, что реакции, о которых шла речь, протекают так, что электроны удаляются из раствора, окисление любой органической молекулы приведет к появлению в этом растворе ионов водорода (рН раствора понизится, повысится кислотность раствора). П. Митчелл в 1961 году предложил идею хемиосмотического энергетического сопряжения в дыхательной цепи. Пожалуй, наиболее существенны для понимания принципа хемиосмотического сопряжения следующие положения:

1. Внутренняя  мембрана митохондрий, где происходят  окислительно-восстановительные реакции  дыхания, непроницаема для ионов  водорода (Н+) (точнее, протон диффундирует  через двойной фосфолипидный  слой очень медленно по сравнению  со скоростью потребления кислорода). В то же время мембраны хорошо  проницаемы для воды и благодаря  электролитической диссоциации  Н₂О→ Н⁺ + ОН⁻ запас протонов в водных растворах неограничен.

2. Внутренняя  мембрана митохондрий асимметрична: одни компоненты дыхательной  цепи контактируют с матриксом  (например, активный центр комплекса  I), другие расположены внутри  мембраны (например, убихинон), третьи  контактируют с межмембранным  пространством (например, цитохром с).

3. Разрушение  мембраны не препятствует окислению  NADH кислородом, а даже ускоряет  дыхание. Энергетическое сопряжение (синтез АТФ) при этом полностью  прекращается: происходит разобщение  процессов переноса электронов  и запасания энергии. Для разобщения  необязательно полностью разрушать  мембрану - достаточно, сохраняя ее  структуру, добавить вещества, резко  повышающие проницаемость мембраны  для протона. 

Для того чтобы понять принцип хемиосмотического  сопряжения, предложенный Митчеллом, воспользуемся  рассмотрением химического генератора электричества, применяющегося в технике. Представим себе сосуд, разделенный  перегородкой, проницаемой для воды и непроницаемой для каких  бы то ни было ионов. В перегородку  вмонтирован проводник электричества - металл (М), торцовые поверхности которого, обращенные одна в левый, а другая в правый отсек сосуда, покрыты  каким-нибудь химическим катализатором (мелко диспергированная платина, никель). Осуществим теперь подачу к левой  поверхности металлического проводника водорода (Н₂), а к правой кислорода (О₂). Ситуация аналогична той, которая создается в гремучем газе (смеси кислорода и водорода), однако между реагирующими молекулами возможен только электронный контакт (за счет металлического проводника

Суммарный процесс такого контролируемого  окисления водорода кислородом (образование  воды) приведет к тому, что перегородка  окажется электрически заряженной (два  отрицательных заряда слева перенесены направо) и возникнет разница  концентраций ионов водорода в обоих  отсеках ячейки: слева появится кислота (Н⁺), а справа - щелочь (ОН⁻).

Первый  член правой части равенства, описывающего энергетический баланс реакции (DY), - электрическая  составляющая запасенной энергии, второй - осмотическая. Очевидно, что, после  того как перегородка зарядится (слева +, справа -), процесс прекратится - электроны не побегут по проводнику против электрического поля. Если заряд  на перегородке снимать (подключить устройство, потребляющее электрическую  энергию, например лампочку), то окисление  продолжится, а горение лампочки будет сопровождаться накоплением  кислоты слева и щелочи справа. Можно расходовать запасенную энергию  и по-другому: устроить в перегородке  каналы для протонов. В этом случае за счет тока протонов слева направо  также можно будет совершать  работу. Именно так (за счет тока протонов) устроена молекулярная машина, синтезирующая АТФ.

Повтиримся: поскольку H⁺ — химические частицы, несущие положительный заряд, неравномерное их накопление по обе стороны мембраны приводит к возникновению не только химического (концентрационного) градиента этих частиц, но и ориентированного поперек мембраны электрического поля (суммарный положительный заряд, где происходит накопление H⁺, и отрицательный заряд по другую сторону мембраны). Таким образом, при переносе электронов на ЦПМ возникает трансмембранный электрохимический градиент ионов водорода, обозначаемый символом DmH+, и измеряемый в вольтах (В, мВ), который состоит из электрического (трансмембранная разность электрических потенциалов Dy) и химического (концентрационного) компонентов (градиент концентраций H⁺ — D pH). Измерения показали, что на сопрягающих мембранах прокариот при работе дыхательных и фотосинтетических электронтранспортных цепей DmH+ достигает 200–250 мВ, при этом вклад каждого компонента непостоянен. Он зависит от физиологических особенностей организма и условий его культивирования.

Итак, в  соответствии с хемиосмотической теорией  П. Митчелла, энергия, освобождаемая  в результате работы; электронтранспортной цепи, первоначально накапливается  в форме трансмембранного градиента  ионов водорода. Разрядка образующегося DmH⁺ происходит с участием локализованного в той же мембране протонного АТФ-синтазного комплекса: Н+ возвращаются по градиенту DmH⁺ через Н⁺–АТФ-синтазу, при этом без возникновения каких-либо промежуточных высокоэнергетических соединений из АДФ и неорганического фосфата образуется АТФ (рис. 1).

Рис. 1. Схема  переноса электронов и протонов по электронтранспортной цепи и протонной  АТФ-синтазы: АНг и В — донор  и акцептор электронов соответственно;

1, 2, 3 —компоненты электронтранспортной цепи. Объяснения см. в тексте

Сами  сопрягающие мембраны в интактном  состоянии непроницаемы для ионов, особенно Н⁺ и ОН[– ). Предположительно, для синтеза одной молекулы АТФ достаточен перенос двух протонов, т. е. Н⁺/АТФ=2. Однако не исключено, что Н⁺/АТФ может быть больше.

Локализованная  в мембране H⁺–АТФ-синтаза катализирует реакции синтеза и гидролиза АТФ в соответствии с уравнением:

АДФ + ФН + nHНАР+→АТФ + H₂O + nHВНУТР+

Реакция, протекающая слева направо, сопряжена  с транспортом H⁺ по градиенту DmH⁺, что приводит к его разрядке и синтезу АТФ. Протекающая в противоположном направлении реакция гидролиза АТФ, сопровождающаяся переносом Н⁺ против градиента, приводит к образованию (или возрастанию) DmH⁺ на мембране. Таким образом, АТФ-синтазный ферментный комплекс служит механизмом, обеспечивающим взаимное превращение двух форм клеточной энергии (DmH⁺ →АТФ), устройством, сопрягающим процессы окислительной природы с фосфорилированием.