Электрохимического потенциала

Важнейшим интермедиатом в реакциях превращения энергии в биологи­ческих системах является трансмембранный градиент электрохимического по­тенциала. В соответствии с хемиосмотической теорией П. Митчелла и развивае­мой в настоящее время ротационной теорией П. Бойера АТФ синтезируется в хлоропластах в результате сложного комплекса сопряженных процессов: транспорта электронов, генерации электрохимического потенциала и преобразова­ния его энергии в серии конформационных изменений отдельных субъединиц сопрягающего комплекса, передачи конформационных сигналов в каталитические центры.

Механизм сопряжения электронного транспорта с генерацией электрохи­мического потенциала рассматривается в настоящее время в рамках хемиосмотической теории Митчелла (теории протонного сопряжения), сформулирован­ной в 1961 г. и развитой в последующие годы (1966). Теория Митчелла включает два основных положения: 1) энергия, освобождаемая в редокс-реакциях, пер­вично запасается в форме протонного градиента (∆рН); 2) признается необхо­димость сопрягающей мембраны, непроницаемой для Н⁺. При работе ЭТЦ сопряженно с транспортом электронов происходит энергозависимый перенос протонов через гидрофобный слой мембраны из стромы в люмен, направлен­ный против электрического и концентрационного градиента.

Сопрягающей мембране в теории Митчелла отводится ведущая роль в про­цессе фотофосфорилирования. Благодаря тому, что мембрана непроницаема для протонов, может быть создана разность свободных энергий в двух водных фазах, разделенных мембраной. Тилакоидная мембрана ориентирует комплек­сы, участвующие в транспорте электронов, таким образом, что создается век­торный поток электронов и протонов через мембрану. В результате сопряжен­ных процессов переноса электронов (на стромальную поверхность мембраны) и Н⁺ (внутрь тилакоидов) возникает градиент протонов (∆рН), который слу­жит источником энергии для синтеза АТФ. Значительный вклад в суммарное значение разности энергий двух фаз, разделенных мембраной (строма, лю­мен), дает образующийся при работе ЭТЦ электрический мембранный потен­циал. Электрическое поле на мембране образуется в течение 10 мс при первич­ном фотохимическом разделении зарядов.

В результате определенного расположения и взаимодействия участников редокс-реакций в мембране редокс-энергия непосредственно преобразуется в энергию электрохимического потенциала (Δ ), который представляет собой сумму электрической (∆ψ) и осмотической (∆рН) энергии и является источ­ником свободной энергии для клетки:

Δ = -2,3lgT∆pH + F ∆ψ.

Электрохимический трансмембранный градиент Δ формируется в резуль­тате сопряжения электрогенных и протолитических реакций при работе ЭТЦ. В нециклическом фотофосфорилировании известны три электрогенные реак­ции, в результате которых происходит перенос электронов с внутренней на наружную, стромальную поверхность мембраны с запасанием энергии в фор­ме электрического мембранного потенциала. Две реакции имеют место в реак­ционных центрах ФС1 и ФСII. Они связаны с быстрым переносом электрона от фотовозбужденного пигмента к конечному компоненту акцепторного ком­плекса, локализованному на стромальной поверхности мембраны. Одна, мед­ленная электрогенная реакция связана с работой Q-цикла, с переносом элек­трона от молекулы PQH₂, окисляемой Fe-S-белком Риске, к высокопотенци­альному цитохрому b₆.

При работе ЭТЦ электрогенные реакции сопряжены с протолитическими. В реакциях трансмембранного переноса протонов из стромального простран­ства в люменальное значительная роль принадлежит цитохромному b₆ f -комп­лексу. При окислении пластохинола в центре Q_z цитохромного комплекса уда­ление двух электронов из молекулы PQH₂ сопряжено с освобождением двух Н⁺, которые поступают в люмен, а окисленный пластохинон может быть сно­ва восстановлен в Q_B центре (ФСII) или Q_C-центре (цитохромный b₆ f -комп­лекс) на стромальной стороне мембраны с использованием двух протонов из стромы. Другая реакция образования протонного градиента обусловлена про­цессом фотоокисления воды ФСII, в результате которого при разложении двух молекул Н₂О выделяется молекулярный кислород, электроны поступают в ЭТЦ, а в люменальное пространство высвобождаются четыре протона. Перенос про­тонов через мембрану происходит также при циклическом транспорте элект­ронов вокруг ФСII при участии цитохрома b₅₅₉.

Таким образом, энергия, освобождаемая при переносе электронов в от­дельных участках ЭТЦ, преобразуется в осмотическую и электрическую энер­гию градиента электрохимического потенциала.

Градиент электрохимического потенциала, согласно ротационной теории П.Бойера (1993, 1997), служит источником энергии для конформационных изменений белков АТФ-синтазного комплекса CF₀-CF₁ в результате которых в каталитическом центре сопрягающего фактора I (CF₁ образуется молекула АТФиз АДФ и Ф_H.