Главной особенностью внутренней мембраны митохондрии является присутствие в ней белков — переносчиков электронов. Эта мембрана непроницаема для ионов водорода, поэтому перенос последних через мембрану осуществляется с помощью специфических переносчиков. Так, например, в мембране локализована система цитохромоксидазы, включающая цитохром с, локализованный вблизи внешней поверхности мембраны, цитохром а, расположенный в центре мембранного матрикса, и цитохром а3, примыкающий к ее внутренней поверхности.
По мнению П. Митчелла (1961), именно особенности структуры внутренней мембраны, локализации в ней переносчиков и функционирования ферментных белков обеспечивают разделение зарядов атома водорода: протонов на внешней, а электронов — на внутренней поверхности мембраны (рис. 22). Вследствие этого на внутренней митохондриальной мембране возникает протонный градиент, поддерживаемый непроницаемостью мембраны для протонов. Большая его часть приходится на градиент электрического заряда, меньшая — на градиент концентрации.
В мембране имеются три петли, организованные белками — переносчиками электронов, «прошивающими» мембрану насквозь при переносе электронов от НАДН2 на кислород. В результате этого электроны трижды выносятся на внутреннюю поверхность, a протоны остаются снаружи, что и создает между сторонами мембраны протонный градиент. При этом с внутренней стороны митохондриальная мембрана оказывается более щелочной, а с наружной — более кислой.
Кроме этой в мембране имеются еще несколько систем, генерирующих мембранный потенциал. Например, АТФ-аза создает на мембране протонный градиент за счет гидролиза макроэргической связи АТФ и активного переноса протона на внешнюю поверхность мембраны. Энергетическая емкость сопрягающих мембран невелика, что не дает возможности запасать большое количество энергии в форме протонного градиента. Поэтому последняя превращается в более стабильную и универсальную химическую форму макроэргических связей в молекулах АТФ в ходе окислительного фосфорилирования.
Рис. 22. Образование АТФ в митохондриях
При достижении протонным градиентом критического значения осуществляется перенос ионов водорода через мембрану. Сопряжение переноса протонов в матрикс с синтезом АТФ осуществляется с помощью АТФ-азного комплекса – фактор сопряжения F1. На электронной микрофотографии он имеет грибовидную форму‚ головка ориентирована в матрикс. F1 – водорастворимый белок‚ состоит из 9 субъединиц пяти различных типов. Белок F1 связан с мембраной через другой белковый комплекс F0‚ он не проявляет каталитической активности‚ а служит каналом для ионов водорода.
Механизм синтеза АТФ в комплексе F1- F0 не выяснен и представлен в виде гипотез:
1. Прямой механизм образования АТФ:
- Фн и АДФ связывается с активным центром F1
- Протоны перемещаются через канал F0 и соединяются с атомом кислорода в Фн
- Молекула АТФ отделяется от фермента
2. Косвенный механизм образования АТФ: АДФ и Фн присоединяются к активному центру F1 без притока свободной энергии. Н+ перемещаются по F0 и связываются с определенными участками F1вызывая его конформационные изменения. В результате из АДФ и неорганического фосфата образуется АТФ. Выход протонов в матрикс сопровождается возвратом F1 в исходное положение и освобождением АТФ.
Поскольку движение протонов, АДФ и Рн через мембрану происходит по градиенту концентрации (осмотически), теория окислительного фосфорилирования получила название хемиосмотической. АТФ — молекула, богатая энергией, поскольку ее трифосфатный компонент содержит две фосфоангидридные связи. Образующаяся при гидролизе молекулы АТФ энергия может быть использована на синтез веществ, активный транспорт против электрического градиента, всякого рода движения, сократительную деятельность белков, генерацию заряда на мембране, биохемилюминесценцию. АТФ является главным донором свободной энергии в растении, а не формой ее запасания. АТФ в клетке используется в течение минуты после ее образования, т. е. оборот АТФ очень высок.