Рис. 11.17. Гипотеза химического сопряжения. Х-пока еще не идентифицированный промежуточный продукт. Здесь показан только один такой продукт, но их могло быть и несколько
Хемиосмотическая гипотеза
Большее признание завоевала гипотеза, выдвинутая Митчеллом в 1961 г. Он полагал, что синтез АТФ находится в тесной зависимости от того, каким образом электроны и протоны передаются по дыхательной цепи. Ниже перечислены условия, соблюдения которых требует эта гипотеза.
1. Внутренняя митохондриальная мембрана должна быть интактна и непроницаема для протонов (ионов водорода), направляющихся снаружи внутрь.
2. В результате активности дыхательной (электрон-транспортной) цепи ионы водорода поступают в нее изнутри, из матрикса, а освобождаются на наружной стороне мембраны.
3. Движение ионов водорода, направленное изнутри наружу, приводит к их накоплению, вследствие чего между двумя сторонами митохондриальной мембраны возникает градиент рН. Это может быть связано с тем, что ферменты, принимающие и отдающие ионы водорода, расположены в мембране определенным образом и поэтому могут принимать ионы водорода только изнутри и отдавать их только наружу.
4. Сам по себе градиент рН не мог бы поддерживаться, так как ионы водорода диффундировали бы обратно в митохондрию. Поддержание такого градиента требует затраты энергии. Предполагается, что энергию поставляет перенос электронов по электронтранспортной (дыхательной) цепи.
5. Эта энергия используется затем для синтеза АТФ. Синтез АТФ, таким образом, поддерживается наличием градиента рН.
6. АТФ образуется в результате фосфорилирования АДФ:
АДФ + Фн ⇔ АТФ + Н2О.
По закону действующих масс удаление воды должно ускорять реакцию, идущую слева направо, т. е. благоприятствовать образованию АТФ. Согласно теории Митчелла, фермент, ответственный за образование воды при синтезе АТФ, ориентирован в мембране таким образом, что ионы водорода освобождаются с внутренней стороны мембраны, где значение рН выше (т. е. концентрация Н+ меньше), а гидроксильные ионы (ОН-) — с наружной стороны, где рН ниже (т.е. концентрация Н+ больше). Таким образом, вода, образующаяся при синтезе АТФ, быстро удаляется, и это стимулирует синтез.
Из гипотезы Митчелла ясно, почему мембрана должна быть интактной (в ней расположены ферменты, ответственные за прохождение ионов во-дорода и за образование воды, так что любое изменение структуры мембраны неминуемо сказалось бы также на расположении ферментов и на их структуре). Объяснимо и требование непроницаемости мембраны для ионов водорода (в направлении снаружи внутрь): в основе гипотезы лежит представление о трансмембранном градиенте рН, а такой градиент не мог бы поддерживаться, если бы мембрана была полностью проницаемой. Следует отметить также, что гипотеза обходится без каких бы то ни было промежуточных продуктов в процессе синтеза АТФ.
11.5.5. Другие пути дыхания
Пентозофосфатный (гексозомонофосфатный) шунт
Этот метаболический путь требует наличия кислорода и служит главным источником пятиуглеродных сахаров, входящих в состав важных нуклеотидов (АТФ, НАД, ФАД) и нуклеиновых кислот. Шунт может функционировать наряду с обычным гликолитическим путем, поставляя в разных клетках от 10 до 90% энергии, получаемой за счет расщепления углеводов в процессе дыхания.
Суть превращений сводится к тому, что шесть молекул глюкозо-6-фосфата сначала дегидрируются, а затем декарбоксилируются. Акцептором водорода служит НАДФ. В конечном итоге образуется шесть молекул рибулозо-5-фосфаза (фосфорилированного пятиуглеродного сахара) и в качестве побочного продукта — шесть молекул СО2. Молекулы рибулозо-5-фосфата претерпевают затем сложную последовательность реакций, в результате которой ресинтезируются пять молекул глюкозо-6-фосфата. Кроме того, образуется глицеральдегид-3-фосфат, который может быть направлен на путь гликолиза и превращен в пировиноградную кислоту, поступающую в конце концов в цикл Кребса. Пентозофосфатный шунт дает в общем итоге 36 молекул АТФ. Гликолиз вместе с циклом Кребса дает 38 молекул, но шунт имеет то преимущество, что в нем меньше реакций, а значит, меньше и число необходимых ферментов. Суммарную реакцию можно записать так:
Шунт поставляет также НАДФ⋅Н2, который служит донором водорода и электронов (восстановителем) при синтезе ряда веществ. В жировой ткани, например, именно этот шунт дает большие количества НАДФ⋅Н2, который используется для восстановления ацетил-КоА до жирных кислот в процессе синтеза липидов.