Энергия электрохимического протонного градиента используется для синтеза АТФ и транспорта метаболитов и неорганических ионов в матрикс.

Внутренняя мембрана митохондрий отличается необычно высоким содержанием белка - в ней по весу примерно 70% белка и 30%фосфолипидов. Многие из этих белков входят в состав электронтранспортной цепи, поддерживающей протонный градиент на мембране. Другой важный компонент - фермент АТФ-синтетаза, катализирующий синтез АТФ. Это большой белковый комплекс, через который протоны перетекают обратно в матрикс по электрохимическому градиенту. Подобно турбине, АТФ-синтетаза преобразует одну форму энергии в другую, синтезируя АТФ из AДФ и Фн в митохондриальном матриксе в ходе реакции, сопряжённой с током протонов в матрикс (см. рисунок 3).

Рисунок 3. Общий механизм окислительного фосфорилирования.[1,1994]

Но синтез АТФ - это не единственный процесс, идущий за счет энергии электрохимического градиента. В матриксе, где находятся ферменты, участвующие в цикле лимонной кислоты и других мета­болических реакциях, необходимо поддерживать высокие концентрации различных субстратов; в частности, для АТФ-синтетазы требуются AДФ и фосфат. Поэтому через внутреннюю мембрану должны транспортироваться разнообразные несущие заряд субстраты. Это достигается с помощью различных белков-переносчиков, встроенных в мембрану, многие из которых активно перекачивают определенные молекулы против их электрохимических градиентов, т.е. осуществляют процесс, требующий затраты энергии. Для большей части метаболитов источником этой энергии, служит сопряжение с перемещением каких-то других молекул «вниз» по их электрохимическому градиенту. Например, в транспорте АДФ участвует система антипорта АДФ-АТФ: при переходе каждой молекулы AДФ в матрикс из него выходит по своему электрохимическому градиенту одна молекула АТФ. В то же время система симпорта сопрягает переход фосфата внутрь митохондрии с направленным туда же потоком Н+: протоны входят в матрикс по своему градиенту и при этом “тащат” за собой фосфат. Подобны образом переносится в матрикс и пируват. Энергия электрохимического протонного градиента используется также для переноса в матрикс ионов Са2+ , которые, по-видимому, играют важную роль в регуляции активности некоторых митохондриальных ферментов.

Чем больше энергии электрохимического градиента затрачивается на перенос молекул и ионов в митохондрию, тем меньше остается для синтеза АТФ. Например, если изолированные митохондрии поместить в среду с высоким содержанием Са2 + , то они полностью прекратят синтез АТФ; вся энергия градиента будет расходоваться на транспорт Ca2+ в матьрикс. В некоторых специализированных клетках электрохимический протонный градиент «шунтируется» таким образом, что митохондрии вместо синтеза АТФ образуют тепло. Очевидно, клетки способны регулировать использование энергии электрохимического протонного градиента и направлять ее на те процессы, которые наиболее важны в данный момент.

Быстрое превращение АДФ в АТФ в митохондриях позволяет поддерживать высокое отношение концентраций ATФ/AДФ в клетках. С помощью особого белка, встроенного во внутреннюю мембрану, AДФ транспортируется в матрикс в обмен на АТФ по принципу антипорта. В результате молекулы AДФ, высвобождаемые при гидролизе АТФ в цитозоле, быстро поступают в митохондрию для «перезарядки», в то время как молекулы АТФ, образующиеся в матриксе в процессе окислительного фосфорилирования, тоже быстро выходят в цитозоль, где они нужны. В организме человека молекулы АТФ за сутки, что позволяет поддерживать в клетке концентрацию АТФ, более чем в 10 раз превышающую концентрацию АДФ.

В процессе окислительного фосфорилирования каждая пара электронов НАДH обеспечивает энергией образование примерно трех молекул АТФ. Пара электронов ФАДH2, обладающая меньшей энергией, дает энергию для синтеза только двух молекул АТФ. В среднем каждая молекула ацетил-СоА поступающая в цикл лимонной кислоты, дает около 12 молекул АТФ. Это означает, что при окислении одной молекулы глюкозы образуются 24 молекулы АТФ, а при окислении одной молекулы пальмитата - жирной кислоты с 16 углеродными атомами - 96 молекул АТФ. Если учесть также экзотермические реакции, предшест­вующие образованию ацетил-СоА, окажется, что полное окисление одной молекулы глюкозы дает около 36 молекул АТФ, тогда как при полном окислении пальмитата образуется примерно 129 молекул АТФ. Это максимальные величины, так как фактически количество синтезируемого в митохондриях АТФ зависит от того, какая доля энергии протонного градиента идет на синтез АТФ, а не на другие процессы. Если сравнитъ изменение свободной энергии при сгорании жиров и углеводов прямо до СО2 и Н2О с общим количеством энергии, запасаемой в фосфатных связях АТРФ в процессах биологического окисления, окажется, что эффективность преобразования, энергии окисления в энергию АТФ часто превышает 50%. Поскольку вся неиспользованная энергия высвобождается в виде тепла, крупные организмы нуждались бы в более эффективных способах отвода тепла в окружающую среду.

Огромное количество свободной энергии, высвобождаемое при окислении, может эффективно использоваться только мелкими порциями. В сложном процессе окисления участвует много промежуточных продуктов, каждый из которых лишь незна­чительно отличается от предыдущего. Благодаря этому высвобождаемая энергия дробится на меньшие количества, которые можно эффективно преобразовывать с помощью сопряженных реакций в высо­коэнергетические связи молекул АТФ и НАДH .

В 1960 г. было впервые показано, что различные мембранные белки, участвующие в окислительном фосфорилировании, могут быть вы­делены без потери активности. От поверхности субмитохондриальных частиц удалось отделить и перевести в растворимую форму усеивающие их крошечные белковые структуры. Хотя субмитохондриальные частицы без этих сферических структур продолжали окислять НАДH в присутствии кислорода, синтеза АТФ при этом не происходило. С другой стороны, выделенные структуры действовали как АТФазы, гидролизуя АТФ до АДФ и Фн. Когда сферические структуры (названные F1-АТФазами) добавляли к лишенным их субмитохондриальным частицам, реконструированные частицы вновь синтезировали АТФ из AДФ и Фн.

F1- АТФаза - это часть большого, пронизывающего всю толщу мембраны комплекса, который состоит по меньшей мере из девяти различных полипептидных цепей. Этот комплекс получил название АТФ-синтетаза; он составляет около 15% всего белка внутренне митохондриальнои мембраны. Весьма сходные АТФ-синтетазы имеются в мембранах хлоропластов и бактерий. Такой белковый комплекс содержит трансмембранные каналы для протонов, и происходит только тогда, когда через эти каналы проходят протоны вниз по своему электрохимическому градиенту.

АТФ-синтетаза может действовать в обратном направлении - расщеплять АТФ и перекачивать протоны. Действие АТФ-синтетазы обратимо: онa способна использовать как энергию гидролиза АТФ для перекачивания протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, так и энергию потока протонов по электрохимическому градиенту для синтеза АТФ. Таким образом, АТФ-синтетаза - это обратимая сопрягающая система, которая осуществляет взаимопревращение энергии электрохимического протонного градиента и химических связей. Направление ее работы зависит от соотношения между крутизной протонного градиента и локальной величиной DG для гидролиза АТФ.