Питер Митчелл. Нобелевский лауреат по химии 1978 года

Министерство  образования и науки Российской Федерации 

государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования 

«Нижегородский  государственный университет им. Н.И.Лобачевского» 
 
 
 

Химический  факультет 
 
 
 
 
 
 
 

Питер Митчелл. Нобелевский  лауреат по химии 1978 года. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила:

студента  гр. 21МХ д/о

Наянова Е.В 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нижний  Новгород

2011 год 
 

Содержание 
 

1.   Биография Питера Митчелла

2.   Теория Митчелла

2.1 История проблемы

2.2 Дыхательная  цепь и ее компоненты

2.3 Хемиосмотический  механизм запасания энергии дыхания

2.4 Компоненты  дыхательной цепи- транслокаторы протонов

3.     Заключение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Биография

Митчелл родился в Митчеме (графство Суррей), в семье служащего Кристофера Гиббса Митчелла и Кейт Беатрис Дороти Тэплин Митчелл. Окончил Королевский колледж в Тонтоне, однако вступительные экзамены в 1939 в колледж Иисуса Кембриджского университета сдал так плохо, что, не будь рекомендательного письма его преподавателя, не был бы принят. В Кембридже изучал естественные науки и в 1943 получил степень бакалавра с отличием. В том же году он приступил к подготовке диссертации под руководством Дж.Ф.Даниэлли, у которого занимался исследованием процесса переноса веществ через клеточные мембраны. В 1950 защитил диссертацию о механизме действия пенициллина, открытого в 1928 А.Флемингом. Был оставлен при кафедре биохимии в Кембридже. Здесь Митчелл исследовал механизм окислительного фосфорилирования (таким путем образуется 95 процентов энергии у аэробных организмов) и очень похожий на него механизм фотосинтетического фосфорилирования (при котором большое количество необходимой для своей жизнедеятельности энергии растения получают от солнца). К тому времени как Митчелл начал заниматься существовала теория Фрица Липмана, согласно которой аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) служит универсальным источником энергии. Функции обменных процессов, таких, как дыхание, ферментация и фотосинтез, невозможны без АТФ, т.к. именно она поддерживает различные энергетические процессы с помощью своих богатых энергией фосфорильных связей. Таким образом, четко вырисовывались главные контуры биоэнергетики (науки о передаче энергии живыми организмами), оставалось только отработать детали на молекулярном уровне. Задача эта, однако, была чрезвычайно трудной, поскольку ферменты окислительного и фотосинтетического фосфорилирования тесно связаны с липопротеидами мембран митохондрии (крошечными круглыми или палочкообразными структурами в цитоплазме клеток) и хлоропластами (содержащими хлорофилл органоидами клеток растений и животных). Эта тесная связь служила препятствием для проведения какого бы то ни было детального молекулярного анализа в растворах. Целый ряд исследователей занимался описанием главных структур механизма окислительного фосфорилирования. Они узнали, что в процессе дыхания электроны от различных субстратов (веществ, подвергающихся действию фермента) к кислороду переносит своего рода каскад ферментов. Синтез АТФ следует за каталитическим действием ферментного комплекса, известного как АТФ-аза (аденозинтрифосфатаза). Что касается хлоропластов, то электроны, высвобождаемые при поглощении света хлорофиллами, продвигаются через серию носителей к своей конечной цели – воде. Синтез АТФ осуществляется комплексом АТФ-азы с молекулярной структурой, очень напоминающей структуру митохондриальных мембран. В ходе этого исследования возник важный вопрос: каким образом энергия, освобожденная в ходе переноса электронов, ''толкает'' АТФ-азу к синтезу АТФ? Поиски молекулярных механизмов опирались на теорию, согласно которой цепь реакций, происходящих в процессе дыхания, и АТФ-аза связаны между собой обладающими высокой энергией промежуточными продуктами, схожими с теми, что возникают в ходе реакций, где катализаторами служат растворимые ферменты. М. специально не изучал митохондрии. Он занимался исследованием метаболического переноса, который осуществляется через цитоплазмовые мембраны бактерии. Эта тема увлекла его еще тогда, когда он был студентом в Кембридже. На этой кафедре он работал до 1955, а затем по приглашению профессора Майкла Свенна стал сотрудником кафедры зоологии Эдинбургского университета, однако покинул работу в 1963 из-за обострившейся язвы желудка.

В 1958 Митчелл  и его коллега Дженнифер Мойл пришли к выводу, что ферментативные реакции являются, как правило, векторными. Эти два ученых предположили далее, что направление таких реакций (хотя в растворе оно и остается непонятным), видимо, должно проясниться, когда ферменты включаются в мембрану. Фактически ферментативный комплекс может так твердо укрепиться в мембране, что ''маршрут'' реакции пересечет этот барьер, немедленно катализируя дислокацию химической группы. Они назвали этот процесс векторным метаболизмом . В 1961 Митчелл опубликовал в журнале «Nature» небольшую статью, где высказал соображения о роли мембран в биохимических процессах.

 С 1963 по 1966 он полностью отошел от научной работы и занялся реставрацией Глинн-Хауса, здания эпохи регенства в живописной лесной местности Глинн-Вэлли около Бодмина в Корнуэлле. Был одновременно и архитектором, и оформителем, и прорабом. В этом ему помогала Мойл. Цель реставрации – превращение особняка в Исследовательские лаборатории Глинна в Глинн-Хаусе. Штат лабораторий состоял из двух сотрудников – Митчелла и Мойл, а требуемый для работы взнос в размере 250 000 фунтов был сделан самим Митчеллом и его братом Кристофером Джоном. С 1964 г. М. возглавляет научно-исследовательскую работу в лабораториях Глинна в Корнуэлле

В 1966 гг. М. сформулировал хемиосмотическую гипотезу (такое название ученый дал ей сам) – радикальное решение проблемы соединения энергии в механизмах окислительного и фотосинтетического фосфорилирования. Он предположил, что цепь реакций, осуществляющихся в процессе дыхания, представляет собой последовательность сменяющих друг друга носителей водорода и электронов. Эти носители таким образом организованы во внутренней митохондриальной мембране, что они переносят протоны (трипептиды) через мембрану. Поскольку митохондриальная мембрана не допускает пассивного тока протонов, в процессе дыхания генерируется электрохимическая разность потенциалов для ионов водорода с электрически отрицательным внутренним межклеточным веществом и щелочной соотнесенностью с внешним межклеточным веществом. Протоны на внешней поверхности стремятся назад во внутриклеточное вещество. Именно этот поток протонов, который можно сравнить с потоком электронов в батарее, и выполняет всю работу. Согласно хемиосмотической гипотезе, существование химической взаимосвязи между цепью реакций, происходящих в процессе дыхания, и АТФ-азой невозможно. Этот вывод сделал выдвинутую Митчеллом теорию непопулярной среди многих биохимиков, причем некоторые из них подвергали сомнению обоснованность предположений ученого. Митчелл изложил свои взгляды в книге, которую не взялся напечатать ни один издатель. Автор размножил рукопись сам и разослал ведущим биохимикам мира. В ответ он получил ожесточенную критику – ведь в хемиосмотической гипотезе отсутствовала химическая взаимосвязь между цепью реакций, происходящих в процессе дыхания, и ферментом АТФ-азой.

Непрекращающийся  скептицизм восприятия этой радикальной  концепции и ведущиеся вокруг нее дискуссии убедили ученого в необходимости выступить в ее защиту, доказав истинность содержащихся в ней положений конкретными фактами. Получить такие данные было нелегко. Для этого надо было разработать новые методы исследования. В конце концов исследователи создали комплекс количественных и визуальных методов. Теперь с их помощью предстояло подвергнуть тщательной проверке заложенные в хемиосмотической гипотезе научные предвидения. Исследовательская работа, стимулируемая дебатами в небольшом кружке биоэнергетиков, велась удивительно продуктивно как в экспериментальном, так и в теоретическом плане. Главный вопрос, который волновал ученых, заключался в том, соответствуют ли принципы хемиосмотической гипотезы и практические результаты, которые могут быть получены с ее помощью, принятым стандартам.

К 1970 г. чаша весов склонилась в пользу созданной  М. концепции, в ее поддержку выступил ряд ученых Великобритании, США и СССР. В 1978 г. Митчеллу была присуждена Нобелевская премия по химии ''за внесенный им вклад в понимание процесса переноса биологической энергии, сделанный благодаря созданию хемиосмотической теории''. Во вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук Ларе Эрнстер обратил внимание на дискуссии, вызванные теорией , отметив весомость представленных в ответ экспериментальных данных. В заключение он указал на ряд практических достоинств работы ученого: ''Хлоропласты, митохондрию и бактерии можно рассматривать как естественным путем образующиеся солнечные и топливные элементы, и в этом своем качестве они могут служить моделью, а в будущем, вероятно, и ''строительным материалом'' для энергетической технологии''.. В 1958 г. он женится на Хелен Френч. У супругов три сына и дочь. Работает ученый очень много, однако выкраивает время и для участия в общественной жизни. Он борется за сохранение природных ресурсов, восстанавливает здания ферм периода средневековья. Помимо Нобелевской премии, был удостоен награды Льюисса и Берта Фридмана Нью-Йоркской академии наук (1976), награды Льюиса Розенстила за выдающуюся работу в области фундаментальных медицинских исследований Университета Брандейса (1977), медали Копли Лондонского королевского общества (1981) и почетной медали Афинского муниципального совета (1982). Он член Лондонского королевского общества, иностранный член американской Национальной академии наук и Королевского общества Эдинбурга. Ученому присвоены почетные степени Технического университета Берлина, университетов Чикаго, Восточной Англии, Ливерпуля, Бристоля, Эдинбурга и многих других.

С годами его все больше интересовали не взаимодействия молекул, а взаимоотношения между  отдельными людьми в цивилизованном мире, особенно аспект подавления индивидуальности во все более коллективистском человеческом сообществе. Собственный опыт деятельности Митчелла в малых коллективах  привел его к заключению, что небольшие  организации во многих отношениях и  более живучи, и более эффективны. Много размышлял над тем, каким  образом можно улучшить взаимоотношения  и кооперацию между свободными и  потенциально независимыми индивидуумами. В частности, он интересовался деньгами, как инструментом личного самоутверждения и средством выбора в свободном обществе. Его возмущало преступное и бесчестное манипулирование системой стоимости денежных единиц, практикуемое большинством правительств.

Умер 10 апреля 1992 в Бодмине. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Теория  Митчелла

ИСТОРИЯ ПРОБЛЕМЫ

Началом изучения дыхания принято считать  классические опыты Антуана Лавуазье (A. Lavoisier), который еще в 1777 году показал, что "чистый воздух, войдя в легкие, выходит из них частично в виде связываемого воздуха или меловой  кислоты. Следовательно, чистый воздух, проходя через легкие, претерпевает такое разложение, которое имеет  место при горении угля". То, что Лавуазье назвал меловой кислотой, было, как мы теперь знаем, углекислым газом (CO2). Начало современным представлениям о внутриклеточном дыхании было положено работами В.И. Палладина в  России (1909 год), Т. Тунберга (T. Thunberg) в  Швеции (1909 год), Г. Виланда (H. Wieland) и  О. Варбурга (O. Warburg) в Германии, выполненными в 20-х годах нынешнего века. К  тому времени уже было известно, что ткани млекопитающих катализируют окисление органических кислот кислородом воздуха. При обсуждении механизма  этого катализа к середине 20-х  годов сформировались две на первый взгляд альтернативные точки зрения. Т. Тунберг и Г. Виланд полагали, что  быстрое окисление химически  инертных органических кислот связано  с существованием в тканях ферментов (дегидрогеназ) - активаторов атомов водорода в молекулах субстратов. О. Варбург считал, что катализ  обусловлен железосодержащим ферментом, названным им дыхательным ферментом, активирующим химически инертный кислород. Как часто случается, оказалось, что обе точки зрения верны. Примерно в то же время Д. Кейлин (D. Keilin) в  Кембридже обнаружил существование  в тканях пигментов, названных им цитохромами, окраска которых зависела от наличия кислорода и активности дыхательного фермента Варбурга. Кейлин предположил, а потом элегантными  опытами доказал, что цитохромы  являются связующим звеном между  дегидрогеназами Тунберга и Виланда  и дыхательным ферментом Варбурга. Позднее Кейлин и его ученики  доказали, что существуют несколько  цитохромов, различающихся по своей  окраске и все они являются обязательными компонентами почти  любых живых систем (Кейлин обследовал более 100 различных видов животных и растений). К середине 50-х годов  выяснилось, что некоторые дегидрогеназы, цитохромы Кейлина и дыхательный  фермент Варбурга (дыхательная цепь) прочно связаны с внутренними  мембранами митохондрий. В 60-х годах  Д. Грин (D. Green) с сотрудниками в США  разработал методы разделения, выделения  и очистки компонентов дыхательной цепи. Уже к концу 30-х годов благодаря работам В.А. Энгельгардта, В.А. Белицера и Г. Калькара (H. Kalckar) была установлена тесная связь между процессами окисления (поглощение кислорода) и образования АТР (фосфорилирование). Природа этой связи (сопряжение двух процессов), обеспечивающей главный суммарный процесс биоэнергетики - окислительное фосфорилирование, оставалась загадкой вплоть до 60-х годов, когда П. Митчелл (P. Mitchell) опубликовал гипотезу о хемиосмотическом сопряжении, ставшую спустя примерно двадцать лет общепринятой теорией.

ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ КОМПОНЕНТЫ

До сих  пор при описании процесса внутриклеточного дыхания говорилось, что кислород расходуется на окисление ограниченного  числа органических соединений, образующихся из продуктов питания. В живых  системах наиболее распространены следующие  химические группировки, подвергающиеся окислению:

Во всех приведенных примерах окисление  можно рассматривать как отщепление двух атомов водорода, каждый из которых  состоит из протона и электрона. Протон в водном растворе существует в виде катиона Н⁺, и, если на время забыть об электронах, каждая из приведенных выше реакций будет сопровождаться закислением среды. Электроны в свободном виде в водном растворе существовать не могут, поэтому для протекания этих реакций белки-катализаторы должны содержать ловушку для электронов. В качестве такой ловушки в ферментах-дегидрогеназах служат относительно небольшие (по сравнению с размером белков) органические или неорганические молекулы или атомы разной химической природы. Эти молекулы принято называть кофакторами или простетическими группами. Таким образом, любой белок, катализирующий окислительно-восстановительную реакцию, содержит кофактор, способный к обратимому окислительно-восстановительному превращению. Есть и другая, не менее важная роль кофакторов. Если в клетке в свободном, не связанном с белком состоянии присутствует какая-либо молекула кофактора в достаточном количестве, то атомы водорода, отщепляющиеся от органических молекул в результате действия дегидрогеназ, могут быть запасены в виде восстановленной формы кофактора. Это достигается либо заменой восстановленной формы связанного с ферментом кофактора на его окисленную форму, либо окислением связанного кофактора свободным. Существуют несколько типов свободных кофакторов. В качестве основного служит молекула достаточно сложного химического строения, носящая, согласно принятой биохимиками номенклатуре, название никотинамидадениндинуклеотид (сокращенно NAD).

В процессе восстановления исходно окисленная молекула NAD (обозначают NAD⁺, по заряду участвующей в реакции группы) принимает два электрона и один протон. В грубом приближении можно считать, что все окислительные реакции, катализируемые дегидрогеназами, приводят к универсализации отщепленных атомов водорода и запасанию их в виде NADН. NAD⁺ и NADН хорошо растворимы в воде и присутствуют в значительных количествах в цитоплазме и митохондриях. Дыхательная цепь, состоящая из нескольких ферментов, прочно связанных с внутренней мембраной митохондрий, осуществляет окисление митохондриального NADН кислородом: