Концепция МИТЧЕЛЛА
Выход из этого, непреодолимого для биохимических реакций в гомогенных растворах затруднения, состоит в механизме, предложенном П. Митчеллом. Сущность этого механизма состоит в проведении синтеза АТФ посредством асимметричной мембраны, обеспечивающей при синтезе каждой молекулы АТФ расход вместо одного иона Н+ — двух, что приводит к большему сдвигу равновесия в сторону синтеза и, соответственно к большей эффективности сопряжения.
Представим себе асимметричную фосфолипопротеидную мембрану, по разные стороны которой существенно различна концентрация ионов водорода (14). Пусть например, слева от мембраны раствор имеет рН = 4, а справа рН = 8. Слева в растворе имеются АДФ и ортофосфат. В кислой среде они в заметной концентрации будут находиться в недиссоциированном, незаряженном состоянии. В таком виде АДФ и Н3Р04 легко растворяются в мембране и попадают в гидрофобный активный центр АТФ-синтетазы. Так, в гидрофобном окружении АТФ не макро-эргична, и мы примем, что синтез ее из АДФ и H3POt идет изо-энергетично (AF°'=0).
АДФ + Н8Р04 ^ АТФ + Н20.
Мембрана асимметрична — из активного центра образовавшаяся АТФ может диффундировать только обратно, налево. Образовавшаяся вода из активного центра может диффундировать лишь после диссоциации — налево ионы ОН- (левая сторона мембраны, омываемая кислым раствором с избытком Н+ ионов заряжена положительно), направо — ионы Н+ (правая сторона мембраны, омываемая щелочным раствором с избытком ОН- ионов заряжена отрицательно). Н+ и ОН- из образовавшейся в активном центре АТФ — синтетазы воды вступают, соответственно слева и справа в две реакции нейтрализации. Запишем теперь весь процесс:
1-й шаг НР042-+АДФ3- + 5Н+^Н3Р04+АДФ
2-й шаг Н3Р04+АДФ->-в мембрану
3-й шаг Н„Р04+АДФ^АТФ + Н20 в мембране
4-й шаг в мембране АТФ-кАТФ4_-|-4Н+ в среду слева в мембране Н20->-Н+ в среду направо
ОН- в среду налево
5-й шаг слева ОН- + Н+ ^Н20 справа Н+ + ОН-^Н20
Сравним теперь процессы синтеза АТФ в гомогенном буферном растворе и в асимметричной мембране при наличии градиента рН:
в растворе: НР042- + АДФ3 + Н+^АТФ4- + Н20;
в мембране: НР042-+АДФ3++2Н++ОН^АТФ4-+2Н20. Видно, что в механизме Митчелла за счет асимметричного распределения Н+, т. е. градиента рН, синтез АТФ сопрягается с образованием вместо одной двух молекул воды, тем самым достигается существенный сдвиг реакции в сторону синтеза АТФ.
В самом общем виде смысл механизма Митчелла — дополнительная векторизация потока энергии, обеспечиваемая строго ориентированной переносом веществ соответственно пространственному градиенту рН.
Таким образом, к рассмотренным ранее аспектам кинетических достоинств структурной организации биохимических процессов (гл. 5, с. 87) следует добавить увеличение термодинамической эффективности преобразования энергий. Синтез АТФ в соответствии с механизмом Митчелла, посредством специальной структурной организации осуществляется с высокой эффективностью, поскольку он сопрягается с двумя относительно «низко-потенциальными» реакциями — нейтрализацией 2Н+ за счет 20Н" при относительно малых перепадах рН.
В асимметричную мембрану могут быть встроены переносчики электронов, пигменты, ферменты-синтетазы. Энергия света, поглощаемого пигментами (фотосинтез), или энергия, выделяющаяся при транспорте электронов от водорода субстратов к кислороду (дыхание), тратится в соответствии с механизмом Митчелла на создание градиента концентрации ионов водорода (или других ионов), что проявляется в возникновении разности рН (или электрических зарядов) по обе стороны мембраны.