2906542608

248 NOWE W BIOCHEMII

wego bądź całych atomów wodoru, bądź tylko elektronów. Tam, gdzie oksydoredukcja „wodorowa” zamienia się na „elektronową”, następuje uwolnienie jonów H⁺. Zgodnie z hipotezą Mitchella, jony te wydzielane są na zewnątrz błony mitochondrialnej. Natomiast proces odwrotny, przejście oksydoredukcji „elektronowej” w „wodorową”, prowadzący do pobrania jonów H+, czerpać je ma z wnętrza mitochondriów. Tak więc postulowana anizotropia funkcjonalna łańcucha oddechowego musiałaby doprowadzić do powstania gradientu stężeń jonów wodorowych i wodorotlenowych po obu stronach wewnętrznej błony mitochondrialnej. Ten właśnie gradient stanowi według Mitchella o stanie energetycznym mitochondrionu i jest źródłem energii dla syntezy ATP a także innych zależnych od energii procesów mitochondrialnych, np. transportu jonów i metabolitów. W odróżnieniu od teorii chemicznego sprzężenia hipoteza Mitchella zyskała sobie miano teorii chemiosmotycznej (czyli chemiczno-osmotycznej).

Rozporządzamy obecnie bogatym materiałem doświadczalnym wskazującym, że na wewnętrznej błonie mitochondrialnej rzeczywiście istnieje znaęzny potencjał elektrochemiczny. Wiemy również, że zniesienie tego potencjału bądź przez mechaniczne przerwanie ciągłości błony, bądź przez substancje zwiększające przepuszczalność błony wobec protonów prowadzi do zniesienia zdolności mitochondriów do syntetyzowania ATP, czyli powoduje tak zwane rozprzężenie oksydacyjnej fosforylacji. Sama synteza ATP prowadzi również do spadku potencjału transmembranowego. W tym jednak przypadku energia elektrochemiczna zamieniona zostaje na energię chemiczną wiązania pirofosforanowego w cząsteczce ATP. Jest to zresztą reakcja odwracalna. Hydroliza ATP przez mitochondria buduje potencjał transmembranowy. Wieloletnie badania E. Rackera, a następnie P. L. Pedersena, E. A. Seniora i L. Ern-stera wykazały, że wewnętrzna błona mitochondrialna zawiera kompleks enzymatyczny, który w warunkach wysokoenergetycznego stanu błony prowadzi syntezę ATP, natomiast w stanie niskoenergetycznym, a więc przy braku potencjału transmembranowego, hydrolizuje ATP, czyli działa jako ATP-aza. Badania ostatnich lat wykazują, że jedna z podjednostek tego właśnie kompleksu ma właściwości kanału protonowego w błonie mitochondrialnej i przy hydrolizie ATP powoduje wyrzucanie protonów na zewnątrz. Natomiast w przypadku istnienia wysokiego gradientu stężeń jonów H+, wytworzonego przez funkcjonujący łańcuch oddechowy, przepływ protonów przez ten kanał ze strony zewnętrznej do wnętrza mitochondrionu, czyli zgodnie z gradientem stężeń, daje odwrócenie hydrolizy, a więc syntezę ATP.

Pięknych dowodów na poparcie teorii chemiosmotycznej dostarczyły badania nad rekonstrukcją wewnętrznej błony mitochondrialnej, prowadzone głównie przez E. Rackera i V. P. Skulacheva. Polegały one na włączeniu do pęcherzyków lipido-wo-białkowych (proteoliposomów) izolowanych enzymów mitochondrialnych lub całych kompleksów enzymatycznych. Gdy włączono na przykład oksydazę cytochro-mową, udawało się uzyskać gradient protonów między wnętrzem liposomów a środowiskiem zewnętrznym wtedy, gdy liposomy, a ściślej mówiąc zawarta w nich oksydaza cytochromowa utleniała dodany zredukowany cytochrom c. Jeśli ponadto włączono do pęcherzyków kompleks mitochondrialnej ATP-azy, wówczas kosztem gradientu pH zachodziła dająca się zmierzyć synteza ATP.

Znakomitą zaletą teorii chemiosmotycznej jest to, że opisuje ona w jednolity sposób zarówno oksydacyjną fosforylację w mitochondriach eukariontów, procesy „konserwacji” energii u bakterii, jak wreszcie fotofosforylację w chloroplastach roślin zielonych. W tych ostatnich pochłonięcie kwantu światła przez chlorofil powoduje, jak wiadomo, podniesienie elektronu na wysoce ujemny potencjał oksydoredukcyjny, po czym następuje powrót elektronu do stanu wyjściowego przez chloroplastowy łańcuch oddechowy. W rezultacie więc i tu mamy transport elektronów, co — podobnie jak w mitochondriach — powoduje powstanie gradientu pH po obu stronach błony