Следствием электроотрицательности содержимого митохондрий, энергетический уровень которых повышен, является то обстоятельство, что такие катионы, как К+, Са2+ и другие, могут проникать в матрикс даже против химического концентрационного градиента, перемещаясь по направлению градиента электрического потенциала. При этом такое движение катионов приводит к снижению энергетического «уровня» митохондрий, повышенного в результате сопряженного с дыханием выброса протонов; иными словами, энергия, которая в обычных условиях была бы запасена путем окислительного фосфорилирования, рассеивается в процессах активного переноса ионов.

В результате образование АТФ и перенос катионов становятся конкурирующими процессами, предъявляющими взаимоисключающие запросы к энергетическим ресурсам, создаваемым тканевым дыханием.

Ионы кальция представляют собой исключение из общего правила, касающегося непроницаемости внутренней мембраны для катионов. На мембране имеются специфические рецепторы, облегчающие перенос Са2+ через мембранный барьер. Значение такой системы переноса неясно; исключение в этом отношении представляют лишь клетки слизистой оболочки кишечника: быстрое проникновение Са2+ в митохондрии и создание таким образом «стока» этих ионов из содержимого кишечника в клетку ускоряет процесс всасывания Са2+ в кишечнике.

Накопление в митохондриях таких ионов, как К+, происходит очень медленно, если только катион не связан с комплексообразую-щим агентом, подобным валиномицину, избирательно заключающим К+ в большую, неполярную, циклическую структуру, способную проникать сквозь гидрофобную часть мембраны. Хотя для проникновения сквозь мембранный барьер и используются также механизмы, подобные описанным, с участием таких жирорастворимых «ионофорных» агентов, как валиномицин, однако энергетические основы процессов переноса всех катионов (Са2+, К+ или любых других) совершенно одинаковы, и при этих процессах действуют одинаковые системы переноса энергии.

Компоненты механизма сопряжения, использующие состояние повышенного энергетического потенциала митохондрий для выработки АТФ, можно описать, но трудно объяснить. Реакция АДФ+Фн->АТФ+Н20 протекает в сферических частицах внутренней мембраны. Из этих частиц после их отделения от внутренней мембраны удается получить белковый фактор, необходимый для окислительного фосфорилирования. Этот белок катализирует реакцию, обратную синтезу АТФ, т. е. обладает активностью АТФазы, и, поскольку он был первым идентифицированным фактором сопряжения, его называют F1-АТФазой. Это тот этап окислительного фосфорилирования, который чувствителен к ингибирующему действию антибиотика олигомицина. Почему изолированный F1 катализирует гидролиз АТФ, тогда как нативная частица осуществляет синтез АТФ?

Ответ, вероятно, должен учитывать представление об асимметричности ориентации сферических частиц на внутренней мембране и о важности реакций, протекающих в мембранах в строго определенном направлении, что необходимо вновь подчеркнуть в связи с сопряженностью процессов передачи энергии. Когда F1 изолирован, он имеет свободный доступ к НаО—необходимому компоненту гидролитической реакции, катализируемой АТФазой; таким образом, в водном растворе F1 действует в термодинамически благоприятствуемом направлении, а именно в направлении распада АТФ. В функциональном же состоянии F1 связан с гидрофобной частью внутренней мембраны и, быть может, специально ориентирован так, что доступен для АТФ и АДФ лишь с внутренней, обращенной к матриксу стороны (М-стороны).

Вероятно, находясь в гидрофобном окружении, этот фермент имеет довольно ограниченный доступ к Н20; было выдвинуто предположение, что фактически с активным центром Fi реагируют продукты ионизации воды, т. е. Н+ и ОН~. Если фермент в разной мере доступен для Н+ и ОН" по обе стороны мембраны, то истинная активность Н20 в каталитическом центре пропорциональна произведению концентраций ионов [Н+]м*[ОН_]ц, где подстрочные индексы указывают обращенную в сторону матрикса (М) и в сторону цитоплазмы (Ц) поверхности мембраны. Движение протонов от М-стороны к Ц-стороне, как это происходит при тканевом дыхании, будет эффективно снижать [Н+1м и одновременно уменьшать [ОН_]ц; такое перемещение приводит, следовательно, к уменьшению величины произведения концентраций ионов и уменьшению активности Н20 в каталитическом центре F1.

Если эффективная концентрация Н20 снижается в ходе реакции АДФ+ФН —АТФ+Н2О, то эта реакция будет происходить «слева направо». По существу, происходящий в соответствии с этим механизмом синтез АТФ является процессом дегидратации, в ходе которого необходимая для отнятия воды электрохимическая энергия обеспечивается односторонним откачиванием протонов через мембрану во время сопряженного с фосфорилированием дыхания.

- Читать "Феномен разобщения. Энергозависимые системы переноса"