§ Б-02 Хеміосмотична теорія Мітчелла: протонна рушійна сила Δp і синтез АТФ (10–11 клас · Біоенергетика та АТФ-синтаза)
Дихальний ланцюг (комплекси I–IV), протонний градієнт Δp і роторний мотор F₀F₁-АТФ-синтази. «Енергія окиснення субстратів у дихальному ланцюзі крист спершу акумулюється у вигляді електрохімічного протонного градієнта Δμ_H+, який обертає молекулярний ротор F₀F₁-АТФ-синтази.»
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
Згідно з хеміосмотичною теорією Пітера Мітчелла (Нобелівська премія, 1978), окиснення НАДН і ФАДH₂ молекулярним киснем у дихальному ланцюзі внутрішньої мембрани мітохондрії (кристи) спряжене з векторним перенесенням протонів H⁺ з матриксу у міжмембранний простір через дихальні комплекси I, III та IV.
На внутрішній мембрані виникає електрохімічний протонний градієнт Δμ_H⁺ або протонна рушійна сила (proton-motive force) Δ p = (Δμ_H⁺)/(F) = Δψ - (2.303 RT)/(F) ΔpH ≈ Δψ + 61.5 (pH_матр - pH_МП) мВ, де Δψ ≈ 150–180 мВ, електрична різниця потенціалів (матрикс заряджений негативно), а ΔpH ≈ 0.5–1.0, градієнт кислотності.
Зворотний потік протонів за градієнтом через мембранний c-ротор F₀F₁-АТФ-синтази обертає асиметричну центральну γ-субодиницю зі швидкістю понад 100 об/с. Кожен поворот на 120^° послідовно переводить три каталітичні β-субодиниці голівки F₁ між конформаціями O (відкрита), L (вільна) та T (щільна, де відбувається конденсація АДФ + Ф_н → АТФ), синтезуючи 3 молекули АТФ за повний оберт. Білок бурого жиру термогенін (UCP1) або хімічні протонофори шунтують мембрану, переводячи енергію Δ p безпосередньо у тепло.
Приклад із життя
Внутрішня мембрана мітохондрії працює як гребля гідроелектростанції! Дихальні комплекси I–IV, наче насоси, закачують протони H⁺ у «верхнє водосховище» (міжмембранний простір), а АТФ-синтаза, це справжня нано-турбіна, яка крутиться від потоку протонів і штампує молекули АТФ. Якщо ж відкрити обвідний шлюз (білок бурого жиру термогенін UCP1), вода піде в обхід турбіни, зігріваючи організм теплом!
Контрольне запитання та розв’язання
За хеміосмотичною теорією Пітера Мітчелла протонна рушійна сила на внутрішній мембрані мітохондрії дорівнює Δ p = Δψ - (2.303 RT)/(F)ΔpH (при 37 ^°C множник становить ≈ 61.5 мВ на одиницю ΔpH). Як зміниться синтез АТФ і виділення тепла при додаванні протонофора (або білка термогеніну UCP1 бурого жиру), що підвищує протонний витік крізь мембрану в обхід F₀F₁-АТФ-синтази?
- А: Протонна рушійна сила Δ p і швидкість обертання АТФ-синтази зростуть удвічі
- Б: Протонний градієнт Δ p спадає, синтез АТФ зменшується, а енергія окиснення НАДН безпосередньо розсіюється у вигляді тепла (нескоротливий термогенез)
- В: Перенесення електронів у дихальному ланцюзі миттєво зупиняється через надлишок АТФ
- undefined: Електричний потенціал Δψ змінює знак без зміни синтезу АТФ
Підказка: При шунтуванні мембрани протонофором або білком UCP1 протонний градієнт Δ p падає, синтез АТФ зменшується, а енергія окиснення НАДН переходить у тепло.
Доведення: Дихальні комплекси I, III та IV викачують протони H⁺ з матриксу у міжмембранний простір, створюючи протонну рушійну силу Δ p = Δψ - 61.5 ΔpH ≈ 180–220 мВ (де ΔpH = pH_МП - pH_матр < 0). У нормі повернення H⁺ за градієнтом крізь канал F₀ обертає γ-субодиницю у каталітичній голівці F₁, синтезуючи 3 молекули АТФ за один повний оберт. Протонофори або білок UCP1 шунтують мембрану: протони повертаються в матрикс в обхід АТФ-синтази, Δ p падає, синтез АТФ гальмується, а вільна енергія окиснення НАДН кількісно переходить у тепло Q.
Основні формули та параметри 3D-симуляції
Δ p = Δψ + 61.5 (pH_матр - pH_МП), ν_АТФ ∝ J_H⁺,F₀
- Потік донорів електронів (НАДН / ФАДH₂) у дихальний ланцюг: 0.4 … 2.5 ум.од. (стандарт: 1.2 ум.од.)
- Мембранний електричний потенціал кристи Δψ: 80 … 190 мВ (стандарт: 150 мВ)
- Трансмембранний градієнт кислотності ΔpH (pH_матр − pH_МП): 0.2 … 1.5 од. pH (стандарт: 0.8 од. pH)
- Протонний витік / роз’єднувач термогенін UCP1 (0, норма, 1, шунт): 0 … 0.9 (стандарт: 0.05)