Механизм образования атp

Согласно хемиосмотическому механизму захват энергии, выделяющейся в процессах электронного транспорта, осуществляется за счет создания трансмембранной разности ΔμН⁺, а перенос энергии к АТP-синтазе обеспечивается потоком протонов через ее протонный канал. Синтез АТР из АDP и Рi может происходить и в отсутствие переносчиков электронов. Для этого необходима лишь разность электрохимических потенциалов Н⁺ на мембране, в которой находится АТР-синтаза. Хемиосмотический принцип трансформации энергии не может объяснить непосредственного молекулярного механизма синтеза АТР.

Согласно одному из первых вариантов хемиосмотической гипотезы, образование АТР сопряжено с распадом высокоэнергетического предшественника: X~Y. Считали, что существуют некие компоненты (подвижные в липидах ионы) X и Y, находящиеся в мембране в виде XH и YOH, которые могут диссоциировать:

XH = X^- + H⁺, YOH = YO^- + H⁺

В митохондриальной мембране, у внешней стороны, происходит реакция конденсации:

2Н⁺ + Х^- + YO^- = Н₂О + X~Y.

Эта реакция сильно сдвинута вправо за счет повышения трансмембранного ΔрН и движения анионов Х^- и YO^- к внешней поверхности под действием сил трансмембранного электрического поля. Однако эта гипотеза оказалась несостоятельной.

Согласно представлениям Митчелла, в активный центр АТР-синтазы нагнетаются протоны, которые непосредственно восстанавливают фосфорильный кислород неорганического фосфата в активном центре. Преодоление энергетического барьера элементарного акта синтеза АТР достигается за счет горячих протонов, которые разгоняются электрическим полем в протонном канале Н⁺-АТРазы. Такое представление оказалось термодинамически невозможным.

Другое предположение о существовании некоего аккумулятора, который накапливает протоны, движущиеся внутри АТР-синтазы до тех пор, пока не наберется энергия, достаточная для синтеза одной молекулы АТР, также не подтвердилось.

Проблему синтеза АТР в Н⁺-АТР-синтазе следует рассматривать, исходя из общих соображений о роли электрон-конформационных взаимодействий в механизмах ферментативного катализа. Как известно, элементарный акт катализа осуществляется в активном центре спонтанно, когда в нем достигается реакционноспособная конфигурация между реагирующими группами субстрата и фермента, расположенными на расстоянии порядка длин химических связей. На стадиях взаимодействия субстрата и фермента при образовании активной конфигурации и затем при отщеплении образовавшегося продукта в ферменте происходят конформационные изменения. Такие внешние факторы, как температура, ионная сила раствора, вязкость, могут влиять на эти релаксационные стадии. Однако непосредственный акт катализа в сформированной активной конфигурации уже не требует тепловой энергии активации.

Именно с этими представлениями согласуются результаты Бойера. Элементарное образование АТР может происходить в активном центре Н⁺-АТР-синтазы в условиях деэнергизации мембраны, когда ΔμН=0, и даже в активном центре изолированного фактора F₁, находящегося в растворе. Однако валового синтеза АТР при этом не происходит. При энергизации мембраны за счет увеличения ΔμН процесс ускоряется в 1000 раз. Оказалось, что энергия ΔμН используется в основном для вытеснения прочно связанного АТР из каталитического центра. Энергия также затрачивается на связывание фосфата и АDP с ферментом.