14.5. Сопряжение окисления и фосфорилирования осуществляется протонным градиентом
Рассмотрим теперь поток электронов от NADH к 
представляющий собою экзергонический процесс:
Эта свободная энергия окисления используется для синтеза АТР:
Рис. 14.7. Электронная микрофотография двухмерной кристаллической структуры цитохром-с-оксидазы. (Печатается с любезного разрешения д-ра Steven Fuller и д-ра Roderick Capaldi.)
Синтез АТР осуществляется молекулярными ансамблями во внутренней митохондриальной мембране. Соответствующий ферментный комплекс (разд. 14.8) назван митохондриальной АТРазой, потому что он был открыт благодаря способности катализировать гидролитические реакции.
Каким образом осуществляется сопряжение между окислением NADH и фосфорилированием ADP? Вначале предполагалось, что при переносе электронов происходит образование ковалентного высокоэнергетического промежуточного продукта, являющегося предшественником АТР. Эта гипотеза химического сопряжения основывалась на механизме субстратного фосфорилирования, примером которого служила глицеральдегид-3-фосфат - дегидрогеназная реакция, приводящая к образованию 1,3-БФГ - высокоэнергетического промежуточного продукта (разд. 12.14). Высказывалось и другое предположение, а именно что свободная энергия окисления улавливается белком, находящимся в активированной конформации, что затем стимулирует синтез АТР. Исследователи во многих лабораториях в течение десятилетий пробовали выделить эти предполагаемые высокоэнергетические промежуточные продукты, но все предпринятые попытки оказались безуспешными.
Совершенно иной механизм, хемиосмотическую гипотезу, постулировал Питер Митчелл (Peter Mitchell) в 1961 г. Он предположил, что сопряжение переноса электронов и синтеза АТР обеспечивается протонным градиентом, а не высокоэнергетическим ковалентным промежуточным продуктом или активированным белком. Согласно этой модели, перенос электронов по дыхательной цепи приводит к выбросу протонов из матрикса на цитоплазматическую сторону внутренней митохондриальной мембраны, где таким образом возрастает концентрация ионов 
В результате происходит генерирование мембранного потенциала с положительным зарядом на цитоплазматической стороне мембраны (рис. 14.8). Эта протонодвижущая сила, постулирует автор, запускает синтез АТР АТРазным комплексом. В описанной модели взаимодействие между цепью переноса электронов и АТР-синтезирующим комплексом осуществляется лишь благодаря наличию мембранного потенциала. Модель требует, чтобы переносчики электронов в дыхательной цепи и АТРаза имели векторную организацию, т.е. чтобы они были определеннным образом ориентированы по отношению к двум поверхностям внутренней митохондриальной мембраны. Далее, внутренняя митохондриальная мембрана должна быть совершенно непроницаема для протонов, поскольку для существования протонного градиента необходимо наличие замкнутого компартмента. Основной смысл предложенного механизма состоит в том, что первичным запасающим энергию актом является перенос протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану.
Гипотеза Митчелла о сопряжении окисления и фосфорилирования протонным
Рис. 14.8. При переносе электронов по дыхательной цепи происходит генерирование протонного градиента и мембранного потенциала на внутренней митохондриальной мембране.
градиентом получила к настоящему времени множество подтверждений.
1. Протонный градиент через внутреннюю митохондриальную мембрану создается во время переноса электронов. рН с наружной стороны на 1,4 единицы ниже, чем с внутренней, и мембранный потенциал составляет 0,14 В, причем наружная сторона несет положительный заряд. Общий электрохимический потенциал 
(в вольтах) складывается из мембранного потенциала 
и градиента концентрации ионов 
В приведенном ниже уравнении 
-газовая постоянная, 
-абсолютная температура, 
число Фарадея.
Рис. 14.9. Пункты действия некоторых ингибиторов транспорта электронов.
Эта общая протонодвижущая сила в 0,224 В соответствует свободной энергии 5,2 ккал в расчете на 1 моль протонов.
2. При создании градиента рН в митохондриях или хлоропласгах (разд. 19.13) в них происходит синтез АТР в отсутствие переноса электронов.
3. Белок пурпурных мембран галобактерий при освещении перекачивает протоны (разд, 19.21). Синтетические пузырьки, содержащие этот бактериальный белок и очищенную АТРазу из митохондрий сердца крупного рогатого скота, синтезируют АТР при освещении. В этом опыте белок пурпурных мембран заменяет дыхательную цепь; следовательно, дыхательная цепь и АТРаза - биохимически отдельные системы, связываемые только протонным градиентом.
4. И дыхательная цепь (разд. 14.7), и АТРаза (разд. 14.8) имеют векторную организацию во внутренней митохондриальной мембране.
-5. Для окислительного фосфорилирования существенное значение имеет замкнутость компартментов. В растворимых препаратах или в мембранных фрагментах, лишенных хорошо отграниченных внутренних и внешних компартментов, не происходит синтеза АТР, сопряженного с переносом электронов.
6. Вещества, переносящие протоны через внутреннюю митохондриальную мембрану, разрушают протонный градиент и таким образом вызывают разобщение окисления и фосфорилирования (разд. 14.14).
