La sintesi di ATP è un processo. Sintesi di ATP nei mitocondri cellulari
3. Coefficiente di fosforilazione ossidativa
L'ossidazione della molecola NADH nel CPE è accompagnata dalla formazione di 3 molecole di ATP; gli elettroni delle deidrogenasi dipendenti da FAD entrano nel CPE in KoQ, bypassando il primo punto di coniugazione. Pertanto, si formano solo 2 molecole di ATP. Il rapporto tra la quantità di acido fosforico (P) utilizzato per la fosforilazione dell'ADP e l'atomo di ossigeno (O) assorbito durante la respirazione è chiamato coefficiente di fosforilazione ossidativa ed è indicato con P / O. Pertanto, per NADH Р / О \u003d 3, per succinato Р / О - 2. Questi valori riflettono il massimo teorico della sintesi di ATP, infatti, questo valore è inferiore.
49. Regolazione della catena di trasporto degli elettroni (controllo respiratorio). Dissociazione della respirazione dei tessuti e fosforilazione ossidativa. Funzione termoregolatoria della respirazione dei tessuti. Funzione termogenica del metabolismo energetico nel tessuto adiposo bruno.
4. Controllo respiratorio
L'ossidazione dei substrati e la fosforilazione dell'ADP nei mitocondri sono strettamente accoppiati. La velocità di utilizzo dell'ATP regola la velocità del flusso di elettroni nel CPE. Se l'ATP non viene utilizzato e la sua concentrazione nelle cellule aumenta, il flusso di elettroni all'ossigeno si interrompe. D'altro canto, il consumo di ATP e la sua conversione in ADP aumentano l'ossidazione dei substrati e l'assorbimento di ossigeno. La dipendenza dell'intensità della respirazione mitocondriale dalla concentrazione di ADP è chiamata controllo respiratorio. Il meccanismo di controllo respiratorio è caratterizzato da un'elevata precisione ed è importante, poiché a causa della sua azione, il tasso di sintesi di ATP corrisponde al fabbisogno energetico della cellula. Non esistono riserve ATP nella cella. Le concentrazioni relative di ATP / ADP nei tessuti variano entro limiti stretti, mentre il consumo di energia da parte della cellula, ad es. la frequenza delle rivoluzioni del ciclo di ATP e ADP può cambiare decine di volte.
B. Trasporto di ATP e ADP attraverso le membrane mitocondriali
Nella maggior parte delle cellule eucariotiche, la sintesi della quantità principale di ATP avviene all'interno dei mitocondri e i principali consumatori di ATP si trovano all'esterno di esso. D'altra parte, una concentrazione sufficiente di ADP deve essere mantenuta nella matrice mitocondriale. Queste molecole cariche non possono passare indipendentemente attraverso lo strato lipidico delle membrane. La membrana interna è impermeabile alle sostanze cariche e idrofile, ma contiene una certa quantità di trasportatori che trasferiscono selettivamente tali molecole dal citosol alla matrice e dalla matrice al citosol.
La membrana contiene una proteina antiportatore ATP / ADP che effettua il trasporto di questi metaboliti attraverso la membrana (Fig. 6-16). La molecola ADP entra nella matrice mitocondriale solo se la molecola ATP viene rilasciata dalla matrice.
La forza trainante di questo scambio è il potenziale di membrana del trasferimento di elettroni lungo il CPE. I calcoli mostrano che circa un quarto dell'energia libera del potenziale protonico viene speso per il trasporto di ATP e ADP. Altri trasportatori possono anche usare l'energia del gradiente elettrochimico. Ecco come il fosfato inorganico necessario per la sintesi di ATP viene trasferito nei mitocondri. La fonte diretta di energia libera per il trasporto di Ca 2+ nella matrice è anche il potenziale protonico, piuttosto che l'energia dell'ATP.
B. Disaccoppiamento di respirazione e fosforilazione
Alcune sostanze chimiche (protonofori) possono trasferire protoni o altri ioni (ionofori) dallo spazio intermembranico attraverso la membrana alla matrice, bypassando i canali protonici dell'ATP sintasi. Di conseguenza, il potenziale elettrochimico scompare e la sintesi di ATP si interrompe. Questo fenomeno si chiama dissociazione della respirazione e della fosforilazione. Come risultato del disaccoppiamento, la quantità di ATP diminuisce e l'ADP aumenta. In questo caso, aumenta il tasso di ossidazione di NADH e FADH 2 e aumenta anche la quantità di ossigeno assorbito, ma l'energia viene rilasciata sotto forma di calore e il rapporto P / O diminuisce drasticamente. Di norma, i disaccoppiatori sono sostanze lipofile che passano facilmente attraverso lo strato lipidico della membrana. Una di queste sostanze è il 2,4-dinitrofenolo, che passa facilmente dalla forma ionizzata a quella non ionizzata, attaccando un protone nello spazio intermembrana e trasferendolo alla matrice.
Alcuni farmaci possono anche essere esempi di disaccoppiatori, ad esempio dicumarolo - un anticoagulante o metaboliti che si formano nel corpo, bilirubina - un prodotto di catabolismo, tiroxina - un ormone tiroideo. Tutte queste sostanze mostrano un effetto disaccoppiante solo alla loro alta concentrazione.
D. Funzione termoregolatrice del CPE
La sintesi delle molecole di ATP consuma circa il 40-45% dell'energia totale degli elettroni trasferiti lungo il CPE, circa il 25% viene impiegato nel lavoro di trasferimento di sostanze attraverso la membrana. Il resto dell'energia viene dissipato sotto forma di calore e viene utilizzato dagli animali a sangue caldo per mantenere la temperatura corporea. Inoltre, può verificarsi un'ulteriore formazione di calore quando la respirazione e la fosforilazione sono disconnesse. Il disaccoppiamento della fosforilazione ossidativa può essere biologicamente benefico. Genera calore per mantenere la temperatura corporea nei neonati, negli animali in letargo e in tutti i mammiferi in fase di adattamento al freddo. Nei neonati, così come negli animali in letargo, esiste un tessuto speciale specializzato nella produzione di calore che disaccoppia la respirazione e la fosforilazione: il grasso bruno. Il grasso bruno contiene molti mitocondri. Nella membrana mitocondriale, c'è un grande eccesso di enzimi respiratori rispetto all'ATP sintasi. Circa il 10% di tutte le proteine \u200b\u200bsono le cosiddette proteine \u200b\u200bdisaccoppianti (RB-1) - termogenina. Il grasso bruno è presente nei neonati, ma è praticamente assente in un adulto. Negli ultimi anni sono apparsi fatti che indicano l'esistenza di proteine \u200b\u200bdisaccoppianti nei mitocondri di vari organi e tessuti dei mammiferi, simili nella struttura all'RB-1 del tessuto adiposo bruno. Nella sua struttura, la termogenina è vicina all'antiportatore ATP / ADP, ma non è in grado di trasportare nucleotidi, sebbene mantenga la capacità di trasferire anioni di acidi grassi, che fungono da disaccoppiatori.
All'esterno della membrana, l'anione dell'acido grasso attacca un protone e, come tale, attraversa la membrana; sul lato interno della membrana, si dissocia, rinunciando a un protone alla matrice e riducendo così il gradiente del protone. L'anione risultante viene restituito all'esterno della membrana per mezzo di un antiportatore ATP / ADP.
Il raffreddamento stimola il rilascio di noradrenalina dalle terminazioni dei nervi simpatici. Di conseguenza, la lipasi viene attivata nel tessuto adiposo e il grasso viene mobilizzato dai depositi di grasso. Gli acidi grassi liberi risultanti servono non solo come "combustibile", ma anche come un importante regolatore di disaccoppiamento della respirazione e della fosforilazione.
H + -translocating ATP sintasi è costituito da due parti: un canale protonico (F 0) incorporato nella membrana di almeno 13 subunità e subunità catalitica (F 1) che serve nella matrice. La "testa" della parte catalitica è formata da tre subunità α e tre β, tra le quali vi sono tre centri attivi. Il "tronco" della struttura è formato dai polipeptidi F 0 -parte e subunità γ-, δ- e ε della testa.
Il ciclo catalitico è suddiviso in tre fasi, ciascuna delle quali si svolge alternativamente in tre siti attivi. Innanzitutto, esiste un legame di ADP (ADP) e P 1 (1), quindi si forma un legame fosfoanidride (2) e, infine, viene rilasciato il prodotto finale di reazione (3). Ad ogni trasferimento di un protone attraverso il canale proteico F 0 nella matrice, tutti e tre i centri attivi catalizzano lo stadio successivo della reazione. Si presume che l'energia del trasporto di protoni venga spesa principalmente per la rotazione della subunità γ, a seguito della quale le conformazioni delle subunità α e β cambiano ciclicamente.
Articoli della sezione "Sintesi di ATP":
- B. ATP sintasi
2012-2019. Biochimica visiva. Biologia molecolare. Ammoniaca. Enzimi e loro caratteristiche.
Il libro di consultazione in una forma visiva - sotto forma di combinazioni di colori - descrive tutti i processi biochimici. Vengono considerati i composti chimici biochimicamente importanti, la loro struttura e proprietà, i principali processi con la loro partecipazione, nonché i meccanismi e la biochimica processi critici in fauna selvatica. Per studenti e insegnanti di università chimiche, biologiche e mediche, biochimici, biologi, medici e chiunque sia interessato ai processi della vita.
Il lavoro degli enzimi respiratori è regolato da un effetto chiamato controllo respiratorio.
È l'effetto diretto del gradiente elettrochimico sulla velocità di movimento degli elettroni lungo la catena respiratoria (cioè sulla quantità di respirazione) A sua volta, l'entità del gradiente dipende direttamente rapporto ATP / ADP, la cui somma quantitativa nella cella è praticamente costante ([ATP] + [ADP] \u003d const). Le reazioni cataboliche mirano a mantenere costantemente alti ATP e bassi livelli di ADP.
Un aumento del gradiente di protoni si verifica con una diminuzione della quantità di ADP e accumulo di ATP ( stato di riposo), ad es. quando L'ATP sintasi è privata del suo substrato e gli ioni H + non penetrano nella matrice mitocondriale... In questo caso, l'effetto inibitorio del gradiente è migliorato e il movimento degli elettroni lungo la catena rallenta... I complessi enzimatici rimangono in uno stato ridotto. La conseguenza è una diminuzione dell'ossidazione di NADH e FADH 2 sui complessi I e II, inibizione degli enzimi CTX con la partecipazione di NADH e rallentamento del catabolismo in una gabbia.
Gradiente elettrochimico rispetto alla velocità dell'elettrone
Si verifica una diminuzione del gradiente del protone quando le riserve di ATP sono esaurite e l'ADP è in eccesso, ad es. quando la cellula funziona... In questo caso l'ATP sintasi funziona attivamente e gli ioni H + passano attraverso il canale F o nella matrice... In questo caso, il gradiente del protone diminuisce naturalmente, aumenta il flusso di elettroni lungo la catena e, di conseguenza, aumenta il pompaggio degli ioni H + nello spazio intermembrana e di nuovo il loro rapido "affondamento" attraverso la sintasi ATP nei mitocondri con la sintesi di ATP. I complessi enzimatici I e II migliorano l'ossidazione di NADH e FADH 2 (come fonti di elettroni) e l'effetto inibitorio di NADH è rimosso per il ciclo dell'acido citrico e il complesso piruvato deidrogenasi. Di conseguenza - le reazioni cataboliche sono attivate carboidrati e grassi.
Acido trifosforico-adenosina-ATP - una componente energetica obbligatoria di qualsiasi cellula vivente. L'ATP è anche un nucleotide costituito dalla base azotata di adenina, dallo zucchero ribosio e da tre residui della molecola di acido fosforico. Questa è una struttura instabile. Nei processi metabolici, i residui di acido fosforico vengono separati in sequenza da esso rompendosi con un legame ricco di energia, ma fragile tra il secondo e il terzo residuo di acido fosforico. Il distacco di una molecola di acido fosforico è accompagnato dal rilascio di circa 40 kJ di energia. In questo caso, l'ATP viene convertito in acido adenosinfosforico (ADP) e, con l'ulteriore scissione del residuo di acido fosforico dall'ADP, si forma l'acido monofosforico di adenosina (AMP).
Schema della struttura dell'ATP e sua trasformazione in ADP (T.A. Kozlova, V.S. Kuchmenko. Biologia nelle tabelle. M., 2000 )
Di conseguenza, l'ATP è un tipo di accumulatore di energia nella cellula, che viene "scaricato" durante la sua scissione. La rottura dell'ATP si verifica nel corso di reazioni di sintesi di proteine, grassi, carboidrati e qualsiasi altra funzione vitale delle cellule. Queste reazioni avvengono con l'assorbimento di energia, che viene estratto durante la scomposizione delle sostanze.
L'ATP è sintetizzato nei mitocondri in più fasi. Il primo è preparatorio - procede gradualmente, con il coinvolgimento di enzimi specifici in ogni fase. In questo caso, i composti organici complessi sono suddivisi in monomeri: proteine \u200b\u200b- ad amminoacidi, carboidrati - a glucosio, acidi nucleici - a nucleotidi, ecc. La rottura dei legami in queste sostanze è accompagnata dal rilascio di una piccola quantità di energia. I monomeri risultanti sotto l'azione di altri enzimi possono subire un'ulteriore decomposizione con la formazione di sostanze più semplici fino all'anidride carbonica e all'acqua.
schema Sintesi di ATP negli autocondri della cellula
SPIEGAZIONE ALLA CONVERSIONE DEL REGIME DI SOSTANZE ED ENERGIA NEL PROCESSO DI DISSIMILAZIONE
Stadio I - preparatorio: sostanze organiche complesse sotto l'azione degli enzimi digestivi si decompongono in quelle semplici, mentre viene rilasciata solo energia termica.
Proteine \u200b\u200b-\u003e aminoacidi
Fats- >
glicerina e acidi grassi
Amido -\u003e glucosio
Stadio II - glicolisi (privo di ossigeno): eseguito nello ialoplasma, non associato alle membrane; gli enzimi sono coinvolti in esso; il glucosio subisce la scissione:
Nei funghi di lievito, la molecola di glucosio, senza la partecipazione di ossigeno, viene convertita in alcool etilico e anidride carbonica (fermentazione alcolica):
In altri microrganismi, la glicolisi può terminare con la formazione di acetone, acido acetico, ecc. In tutti i casi, la decomposizione di una molecola di glucosio è accompagnata dalla formazione di due molecole di ATP. Durante la scomposizione anossica del glucosio, il 40% dell'energia viene trattenuta nella molecola ATP sotto forma di legame chimico e il resto viene dissipato sotto forma di calore.
Stadio III - idrolisi (ossigeno): viene effettuata nei mitocondri, è associata alla matrice mitocondriale e alla membrana interna, gli enzimi sono coinvolti in essa, l'acido lattico subisce la scissione: C3H6O3 + 3H20 -\u003e 3CO2 + 12H. La CO2 (anidride carbonica) viene rilasciata dai mitocondri nell'ambiente. L'atomo di idrogeno è incluso in una catena di reazioni, il cui risultato finale è la sintesi di ATP. Queste reazioni procedono nella seguente sequenza:
1. L'atomo di idrogeno H, con l'aiuto di enzimi portatori, entra nella membrana interna dei mitocondri, formando delle croste, dove viene ossidato: H-e -\u003e H +
2. Protone dell'idrogeno H + (catione) viene trasportato dai portatori sulla superficie esterna della membrana delle criste. Per i protoni, questa membrana è impermeabile, quindi si accumulano nello spazio intermembrana, formando un serbatoio di protoni.
3. Elettroni di idrogeno e trasferito sulla superficie interna della membrana delle criste e immediatamente attaccato all'ossigeno mediante l'enzima ossidasi, formando un ossigeno attivo (anione) caricato negativamente: O2 + e -\u003e O2-
4. Cationi e anioni su entrambi i lati della membrana creano un campo elettrico caricato in modo opposto e quando la differenza di potenziale raggiunge 200 mV, il canale protonico inizia a funzionare. Si verifica nelle molecole degli enzimi sintetasi ATP, che sono incorporate nella membrana interna che forma le cristi.
5. Attraverso il canale protonico, protoni dell'idrogeno H +precipitarsi nei mitocondri, creando alto livello energia, la maggior parte che va alla sintesi di ATP da ADP e F (ADP + F -\u003e ATP) e protoni H + interagire con ossigeno attivo per formare acqua e molecolare 02:
(4H ++ 202- -\u003e 2H20 + 02)
Pertanto, l'O2, che entra nei mitocondri durante la respirazione dell'organismo, è necessario per l'aggiunta di protoni dell'idrogeno H. In sua assenza, l'intero processo nei mitocondri si interrompe, poiché la catena di trasporto degli elettroni cessa di funzionare. Reazione generale Fase III:
(2СзНбОЗ + 6Oz + 36ADP + 36F ---\u003e 6С02 + 36ATP + + 42H20)
Come risultato della scissione di una molecola di glucosio, si formano 38 molecole di ATP: allo stadio II - 2 ATP e allo stadio III - 36 ATP. Le molecole di ATP formate vanno oltre i mitocondri e partecipano a tutti i processi cellulari in cui è necessaria energia. Dividendo, l'ATP rinuncia all'energia (un legame fosfato contiene 40 kJ) e ritorna ai mitocondri sotto forma di ADP e F (fosfato).
ATP-sintasi (H + -ATP-ase) è una proteina integrale della membrana mitocondriale interna. Si trova in prossimità della catena respiratoria. L'ATP sintasi è composta da 2 complessi proteici, indicati come F 0 e F 1 (Fig. 6-15).
Figura. 6-15. La struttura e il meccanismo d'azione della sintasi ATP. A - F 0 e F 1 - Complessi ATP-sintasi, F 0 contiene catene polipeptidiche che formano un canale che penetra attraverso la membrana. Attraverso questo canale, i protoni ritornano alla matrice dallo spazio intermembrana; la proteina F 1 sporge nella matrice dal lato interno della membrana e contiene 9 subunità, 6 delle quali formano 3 coppie di α e β ("testa"), coprendo la parte centrale, che consiste di 3 subunità γ, δ e ε. γ e ε sono mobili e formano un'asta che ruota all'interno della testa fissa ed è collegata al complesso F0. Nei centri attivi formati da coppie di subunità α e β, si verifica il legame di ADP, fosfato inorganico (P i) e ATP. B - Il ciclo catalitico della sintesi di ATP comprende 3 fasi, ognuna delle quali si svolge alternativamente in 3 centri attivi: 1 - legame di ADP e H 3 PO 4; 2 - la formazione di un legame fosfoanidride di ATP; 3 - rilascio del prodotto finale. Ad ogni trasferimento di protoni attraverso il canale F 0 nella matrice, tutti e 3 i centri attivi catalizzano la fase successiva del ciclo. L'energia del potenziale elettrochimico viene spesa nel girare l'asta, a seguito della quale la conformazione delle subunità α e β cambia ciclicamente e l'ATP viene sintetizzato.
3. Il coefficiente di ossidazione
fosforilazione
L'ossidazione della molecola NADH nel CPE è accompagnata dalla formazione di 3 molecole di ATP; gli elettroni delle deidrogenasi dipendenti da FAD entrano nel CPE in KoQ, bypassando il primo punto di coniugazione. Pertanto, si formano solo 2 molecole di ATP. Il rapporto tra la quantità di acido fosforico (P) utilizzato per la fosforilazione dell'ADP e l'atomo di ossigeno (O) assorbito durante la respirazione è chiamato coefficiente di fosforilazione ossidativa ed è indicato con P / O. Pertanto, per NADH Р / О \u003d 3, per succinato Р / О - 2. Questi valori riflettono il massimo teorico della sintesi di ATP, infatti, questo valore è inferiore.
Regolazione della catena di trasporto degli elettroni (controllo respiratorio). Dissociazione della respirazione dei tessuti e fosforilazione ossidativa. Funzione termoregolatoria della respirazione dei tessuti. Funzione termogenica del metabolismo energetico nel tessuto adiposo bruno.
Controllo respiratorio
L'ossidazione dei substrati e la fosforilazione dell'ADP nei mitocondri sono strettamente accoppiati. La velocità di utilizzo dell'ATP regola la velocità del flusso di elettroni nel CPE. Se l'ATP non viene utilizzato e la sua concentrazione nelle cellule aumenta, il flusso di elettroni all'ossigeno si interrompe. D'altro canto, il consumo di ATP e la sua conversione in ADP aumentano l'ossidazione dei substrati e l'assorbimento di ossigeno. La dipendenza dell'intensità della respirazione mitocondriale dalla concentrazione di ADP è chiamata controllo respiratorio. Il meccanismo di controllo respiratorio è caratterizzato da un'elevata precisione ed è importante, poiché a causa della sua azione, il tasso di sintesi di ATP corrisponde al fabbisogno energetico della cellula. Non esistono riserve ATP nella cella. Le concentrazioni relative di ATP / ADP nei tessuti variano entro limiti stretti, mentre il consumo di energia da parte della cellula, ad es. la frequenza delle rivoluzioni del ciclo di ATP e ADP può cambiare decine di volte.