ATF sintēze ir process. ATP sintēze mitohondriju šūnās
3. Oksidācijas fosforilācijas koeficients
NADH molekulas oksidēšana CPE notiek kopā ar 3 ATP molekulu veidošanos; elektroni no FAD atkarīgām dehidrogenāzēm iekļūst CPE KoQ, apejot pirmo konjugācijas punktu. Tāpēc veidojas tikai 2 ATP molekulas. Fosforskābes (P) daudzuma attiecību, ko izmanto ADP fosforilēšanai, ar skābekļa atomu (O), kas absorbēts elpošanas laikā, sauc par oksidatīvās fosforilēšanas koeficientu un apzīmē ar P / O. Tāpēc NADH P / O \u003d 3, sukcināta P / O-2. Šīs vērtības atspoguļo ATP sintēzes teorētisko maksimumu, patiesībā šī vērtība ir mazāka.
49. Elektronu pārneses ķēdes regulēšana (elpošanas kontrole). Audu elpošanas un oksidatīvās fosforilēšanas disociācija. Audu elpošanas termoregulācijas funkcija. Enerģijas metabolisma termogeniskā funkcija brūnajos taukaudos.
4. Elpošanas kontrole
Substrātu oksidēšana un ADP fosforilēšana mitohondrijos ir stingri konjugētas. ATP lietošanas ātrums regulē elektronu plūsmas ātrumu CPE. Ja ATP netiek izmantots un tā koncentrācija šūnās palielinās, tad apstājas arī elektronu plūsma uz skābekli. No otras puses, ATP patēriņš un tā pārvēršana ADP palielina substrātu oksidāciju un skābekļa absorbciju. Mitohondriju elpošanas ātruma atkarību no ADP koncentrācijas sauc par elpošanas kontroli. Elpošanas kontroles mehānismu raksturo augsta precizitāte un tas ir svarīgi, jo tā darbības rezultātā ATP sintēzes ātrums atbilst šūnas enerģijas vajadzībām. Šūnā esošie ATP veikali neeksistē. ATP / ADP relatīvās koncentrācijas audos mainās šaurās robežās, savukārt šūnas enerģijas patēriņš, t.i. ATP un ADP cikla rotācijas biežums var mainīties desmitiem reižu.
B. ATP un ADP transportēšana caur mitohondriju membrānām
Lielākajā daļā eikariotu šūnu galvenā ATP daudzuma sintēze notiek mitohondriju iekšienē, un galvenie ATP patērētāji atrodas ārpus tā. No otras puses, mitohondriju matricā jāuztur pietiekama ADP koncentrācija. Šīs uzlādētās molekulas pašas par sevi nevar iziet cauri membrānu lipīdu slānim. Iekšējā membrāna ir necaurlaidīga uzlādētām un hidrofilām vielām, taču tajā ir noteikts skaits transportētāju, kas selektīvi pārnes šādas molekulas no citosola uz matricu un no matricas uz citosolu.
Membrānā ir ATP / ADP antiportera proteīns, kas šos metabolītus pārvieto caur membrānu (6-16. Att.). ADP molekula nonāk mitohondriju matricā tikai tad, ja ATP molekula iziet no matricas.
Šīs apmaiņas virzītājspēks ir elektronu pārvietošanās membrānas potenciāls caur elektronu izplatīšanās centru. Aprēķini rāda, ka apmēram ceturtā daļa no protona potenciāla brīvās enerģijas tiek tērēta ATP un ADP transportēšanai. Arī citi pārvadātāji var izmantot elektroķīmiskā gradienta enerģiju. Neorganiskais fosfāts, kas nepieciešams ATP sintēzei, tiek pārnests uz mitohondrijiem. Protonu potenciāls, nevis ATP enerģija, kalpo arī kā tiešs bezmaksas enerģijas avots Ca 2+ transportēšanai matricā.
B. Elpošanas un fosforilēšanas disociācija
Dažas ķīmiskas vielas (protonofori) var pārnest protonus vai citus jonus (jonoforus) no starpmembrānas telpas caur membrānu uz matricu, apejot ATP sintāzes protonu kanālus. Rezultātā pazūd elektroķīmiskais potenciāls un beidzas ATP sintēze. Šo parādību sauc par elpošanas un fosforilēšanas disociāciju. Atdalīšanas rezultātā ATP daudzums samazinās, un ADP palielinās. Šajā gadījumā palielinās NADH un FADH 2 oksidācijas ātrums, palielinās arī absorbētā skābekļa daudzums, bet enerģija izdalās siltuma veidā, un P / O koeficients strauji samazinās. Parasti atdalītāji ir lipofīlas vielas, kas viegli iziet cauri membrānas lipīdu slānim. Viena no šādām vielām ir 2,4-dinitrofenols, kas viegli pāriet no jonizētās formas uz nejonizēto formu, pievienojot protonu starpposma telpā un pārnesot to uz matricu.
Dažas zāles var būt arī atdalītāju piemēri, piemēram, dikumarols - antikoagulants vai metabolīti, kas veidojas organismā, bilirubīns ir katabolisma tēma, un tiroksīns ir vairogdziedzera hormons. Visām šīm vielām ir atdalīšanas darbība tikai to augstā koncentrācijā.
D. CPE termoregulācijas funkcija
Apmēram 40–45% no elektronu kopējās enerģijas, kas tiek pārsūtīti caur CPE, tiek iztērēti ATP molekulu sintēzei, aptuveni 25% tiek tērēti darbam, ar kuru vielas pārvietojas caur membrānu. Pārējā enerģija tiek izkliedēta siltuma veidā un siltasiņu dzīvnieki to izmanto ķermeņa temperatūras uzturēšanai. Turklāt, atvienojot elpošanu un fosforilēšanu, var rasties papildu karstums. Oksidatīvās fosforilēšanas disociācija var būt bioloģiski izdevīga. Tas ļauj jums radīt siltumu, lai uzturētu ķermeņa temperatūru jaundzimušajiem, dzīvniekiem, kas guļ ziemā, un visiem zīdītājiem, kas pielāgojas aukstumam. Jaundzimušajiem, kā arī dzīvniekiem, kas guļ ziemā, ir īpaši audi, kas specializējas siltuma ražošanā, atdalot elpošanu un fosforilēšanu - brūnie tauki. Brūnie tauki satur daudz mitohondriju. Mitohondriju membrānā ir liels elpceļu enzīmu pārpalikums, salīdzinot ar ATP sintāzi. Apmēram 10% visu olbaltumvielu atrodas tā sauktajā atdalīšanas proteīnā (RB-1) - termogenīnā. Brūnie tauki ir jaundzimušajiem, bet pieaugušajiem to praktiski nav. Pēdējos gados ir parādījušies fakti, kas apliecina, ka dažādu zīdītāju orgānu un audu mitohondrijās ir atdalāmie proteīni, kuru uzbūve ir līdzīga RB-1 brūnajiem taukaudiem. Savā struktūrā termogenīns ir tuvu ATP / ADP antiporterim, taču tas nav spējīgs pārvadāt nukleotīdus, lai arī saglabāja spēju pārnest taukskābju anjonus, kas kalpo par atdalītājiem.
Membrānas ārējā pusē taukskābju anjons piestiprina protonu un šādā formā šķērso membrānu; disociējas membrānas iekšējā pusē, dodot protonu matricai un tādējādi samazinot protona gradientu. Iegūtais anjons tiek atgriezts membrānas ārpusē, izmantojot ATP / ADP antiporteri.
Atdzesējot, tiek stimulēta norepinefrīna izdalīšanās no simpātisko nervu galiem. Tā rezultātā notiek lipāzes aktivizēšana taukaudos un tauku mobilizācija no tauku depo. Iegūtās brīvās taukskābes kalpo ne tikai kā “degviela”, bet arī kā svarīgs regulators elpošanas un fosforilēšanās atdalīšanai.
H + - tulkojošā ATP sintāze sastāv no divām daļām: protonu kanāla (F 0), kas iestrādāts membrānā ar vismaz 13 apakšvienībām, un katalītiskā apakšvienība (F 1) kalpo matricā. Katalītiskās daļas “galvu” veido trīs α- un trīs β-apakšvienības, starp kurām ir trīs aktīvi centri. Konstrukcijas "stumbru" veido F 0 daļas polipeptīdi un galvas γ, δ un ε apakšvienības.
Katalītiskais cikls ir sadalīts trīs fāzēs, no kurām katra notiek pārmaiņus trīs aktīvos centros. Pirmkārt, notiek ADP (ADP) un P 1 (1) saistīšanās, tad veidojas fosfoanhidrīda saite (2) un, visbeidzot, izdalās reakcijas (3) galaprodukts. Ar katru protona pārvietošanos caur F 0 olbaltumvielu kanālu uz matricu visi trīs aktīvie centri katalizē nākamo reakcijas posmu. Tiek pieņemts, ka protonu transporta enerģija galvenokārt tiek tērēta γ apakšvienības rotācijai, kā rezultātā cikliski mainās α un β apakšvienību konformācijas.
Raksti sadaļā "ATP sintēze":
- B. ATP sintāze
2012.-2019. Vizuālā bioķīmija. Molekulārā bioloģija. Amonjaks. Fermenti un to īpašības.
Atsauces publikācija vizuālā formā - krāsu shēmu veidā - apraksta visus bioķīmiskos procesus. Tiek apskatīti bioķīmiski svarīgi ķīmiskie savienojumi, to struktūra un īpašības, galvenie procesi ar viņu piedalīšanos, kā arī mehānismi un bioķīmija kritiskie procesi savvaļas dzīvniekiem. Ķīmisko, bioloģisko un medicīnas universitāšu studentiem un pasniedzējiem, bioķīmiķiem, biologiem, ārstiem, kā arī visiem dzīves procesu interesentiem.
Elpošanas fermentu darbu regulē efekts, ko sauc elpošanas kontrole.
Vai elektroķīmiskā gradienta tiešā ietekme ir uz elektronu ātrumu gar elpošanas ķēdi (t.i., uz elpošanas daudzumu). Savukārt no slīpuma lieluma ir atkarīgs aTP / ADP attiecības, kura kvantitatīvais daudzums šūnā ir gandrīz nemainīgs ([ATP] + [ADP] \u003d const). Katabolisma reakciju mērķis ir uzturēt pastāvīgi augstu ATP līmeni un zemu ADP.
Protonu gradienta palielināšanās notiek ar ADP daudzuma samazināšanos un ATP uzkrāšanos ( atpūtas stāvoklis), t.i. kad ATP sintāzei nav substrāta, un H + joni neiekļūst mitohondriju matricā. Turklāt tiek pastiprināta gradienta inhibējošā iedarbība un elektronu izplatīšanās palēninās. Fermentatīvie kompleksi paliek samazinātā stāvoklī. Rezultāts ir NADH un FADH 2 oksidācijas samazināšanās uz I un II kompleksu, CTK enzīmu nomākums, piedaloties NADH un palēninot katabolismu būrī.
Elektroķīmiskā gradienta atkarība no elektronu ātruma
Protonu gradienta samazināšanās notiek, kad ir izsmeltas ATP rezerves un ir pārsniegts ADP, t.i. kad šūna darbojas. Šajā gadījumā aTP sintāze aktīvi darbojas, un H + joni caur kanālu F о nonāk matricā. Šajā gadījumā protonu gradients dabiski samazinās, palielinās elektronu plūsma gar ķēdi, un rezultātā palielinās H + jonu iesūknēšana starpposma telpā un atkal to ātra “iemērkšana” caur ATP sintāzi mitohondrijās ar ATP sintēzi. Fermentu kompleksi I un II veicina NADH un FADN 2 (kā elektronu avotus) un nADH inhibējošā iedarbība tiek noņemta vienā ciklā citronskābes un piruvāta dehidrogenāzes kompleksa. Rezultātā - tiek aktivizētas katabolisma reakcijas ogļhidrāti un tauki.
Adenozīna trifosforskābe-ATP - Jebkuras dzīvās šūnas obligāta enerģijas sastāvdaļa. ATP ir arī nukleotīds, kas sastāv no adenīna slāpekļa bāzes, ribozes cukura un trim fosforskābes molekulas atlikumiem. Šī ir nestabila struktūra. Metabolisma procesos fosforskābes atlikumi tiek secīgi no tā sadalīti, plīstot ar bagātīgu, bet trauslu saikni starp otro un trešo fosforskābes atlikumu. Vienas fosforskābes molekulas atdalīšana pavada aptuveni 40 kJ enerģijas izdalīšanos. Šajā gadījumā ATP nonāk adenozīna difosforskābē (ADP), un ar turpmāku fosforskābes atlikuma šķelšanu no ADP veidojas adenozīna monofosforskābe (AMP).
ATP struktūra un tās pārveidošana ADP (T.A. Kozlova, V.S. Kučmenko. Bioloģija tabulās. M., 2000 )
Tāpēc ATP ir sava veida enerģijas akumulators šūnā, kas "izlādējas", kad tas tiek sadalīts. ATP sabrukšana notiek olbaltumvielu, tauku, ogļhidrātu un visu citu šūnu dzīvībai svarīgo funkciju sintēzes laikā. Šīs reakcijas notiek ar enerģijas absorbciju, kas tiek iegūta vielu sadalīšanās laikā.
Tiek sintezēts ATP mitohondrijos vairākos posmos. Pirmais ir sagatavošanās - norit pakāpeniski, katrā posmā iesaistot noteiktus fermentus. Tajā pašā laikā sarežģītie organiskie savienojumi tiek sadalīti monomēros: olbaltumvielās - aminoskābēs, ogļhidrātos - glikozē, nukleīnskābēs - nukleotīdos utt. Savienojumu pārtraukšana šajās vielās pavada nelielu enerģijas daudzumu. Iegūtie monomēri citu enzīmu ietekmē var turpināt sadalīties, veidojot vienkāršākas vielas līdz oglekļa dioksīdam un ūdenim.
Shēma ATP sintēze šūnas hondrijās
VIELU PĀRVEIDOŠANAS SHĒMAS PASKAIDROJUMI UN ENERĢĒTIKA ATTĪSTĪBAS LAIKĀ
I posms - sagatavošanās process: sarežģītās organiskās vielas gremošanas enzīmu ietekmē sadalās vienkāršās, un izdalās tikai siltumenerģija.
Olbaltumvielas -\u003e aminoskābes
Tauki >
glicerīns un taukskābes
Ciete -\u003e glikoze
II posma glikolīze (bez skābekļa): tiek veikta hialoplazmā, nav saistīta ar membrānām; fermenti tajā ir iesaistīti; glikoze tiek sadalīta:
Raugā glikozes molekula bez skābekļa tiek pārveidota par etilspirtu un oglekļa dioksīdu (spirta fermentācija):
Citos mikroorganismos glikolīzes rezultātā var veidoties acetons, etiķskābe utt. Visos gadījumos vienas glikozes molekulas sabrukšana notiek kopā ar divu ATP molekulu veidošanos. Sadalot glikozi bez skābekļa ķīmiskās saites veidā, 40% enerģijas tiek saglabāti ATP molekulā, bet pārējā daļa tiek izkliedēta kā siltums.
III posma hidrolīze (skābeklis): tiek veikta mitohondrijos, savienoti ar mitohondriju matricu un iekšējo membrānu, tajā piedalās fermenti, pienskābe tiek sadalīta: СЗН6Оз + ЗН20 -\u003e 3СО2 + 12Н. CO2 (oglekļa dioksīds) no mitohondrijiem izdalās vidē. Ūdeņraža atoms ir iekļauts reakciju ķēdē, kuras gala rezultāts ir ATP sintēze. Šīs reakcijas notiek šādā secībā:
1. Ūdeņraža atoms H ar pārneses fermentu palīdzību nonāk iekšējā mitohondriju membrānā, veidojot kraukšķus, kur tas tiek oksidēts: Н-е -\u003e H +
2. Ūdeņraža protons H + (katjonu) nesēji nes uz kristāla membrānas ārējās virsmas. Protoniem šī membrāna ir necaurlaidīga, tāpēc tie uzkrājas starpmembrānu telpā, veidojot protonu rezervuāru.
3. Ūdeņraža elektroni e tiek pārnestas uz krusta membrānas iekšējo virsmu un, izmantojot oksidāzes fermentu, tiek nekavējoties piestiprinātas skābeklim, veidojot negatīvi lādētu aktīvo skābekli (anjonu): O2 + e -\u003e O2-
4. Katjoni un anjoni abās membrānas pusēs rada pretēji lādētu elektrisko lauku, un, kad potenciāla starpība sasniedz 200 mV, protona kanāls sāk darboties. Tas notiek ATP sintetāzes enzīmu molekulās, kuras ir iestrādātas iekšējā membrānā, kas veido cristae.
5. Caur protonu kanālu ūdeņraža protoni H +steigties mitohondrijās, radot augsts līmenis enerģija lielākā daļa kas iet uz ATP sintēzi no ADP un F (ADP + F -\u003e ATP), un protoniem H + mijiedarbojas ar aktīvo skābekli, veidojot ūdeni un molekulāro 02:
(4H ++ 202–2H20 + 02)
Tādējādi O2, kas ķermeņa elpošanas laikā nonāk mitohondrijos, ir nepieciešams ūdeņraža protonu N. piestiprināšanai. Tā prombūtnes laikā mitohondrijās viss process tiek pārtraukts, jo elektronu transporta ķēde pārstāj darboties. Vispārēja reakcija III posms:
(2СзНбОз + 6Оз + 36АДФ + 36Ф ---\u003e 6С02 + 36АТФ + + 42Н20)
Vienas glikozes molekulas sadalīšanas rezultātā veidojas 38 ATP molekulas: II - 2 ATP un III - 36 ATP. Iegūtās ATP molekulas pārsniedz mitohondrijus un piedalās visos šūnu procesos, kur nepieciešama enerģija. Sadalot, ATP izdala enerģiju (viena fosfāta saite satur 40 kJ) un atgriežas mitohondrijās ADP un F (fosfāta) veidā.
ATP sintāze (H + -ATPase) ir mitohondriju iekšējās membrānas neatņemama olbaltumviela. Tas atrodas tiešā elpošanas ķēdes tuvumā. ATP sintāze sastāv no 2 olbaltumvielu kompleksiem, kas apzīmēti ar F 0 un F 1 (6-15. Att.).
Att. 6-15. ATP sintāzes struktūra un darbības mehānisms. A - F 0 un F 1 - ATP sintāzes kompleksi F 0 satur polipeptīdu ķēdes, kas veido kanālu, kas caur membrānu iekļūst caur membrānu. Caur šo kanālu protoni atgriežas matricā no starpposma telpas; F 1 olbaltumviela izdalās matricā no membrānas iekšpuses un satur 9 apakšvienības, no kurām 6 veido 3 pārus α un β (“galva”), pārklājot galveno daļu, kas sastāv no 3 γ, δ un ε apakšvienībām. γ un ε ir mobili un veido stieni, kas rotē fiksētās galvas iekšpusē un ir savienots ar kompleksu F0. Aktīvajos centros, ko veido α un β subvienību pāri, notiek ADP, neorganiskā fosfāta (P i) un ATP saistīšanās. B - ATP sintēzes katalītiskajā ciklā ietilpst 3 fāzes, no kurām katra pārmaiņus iet 3 aktīvos centros: 1 - ADP un H 3 PO4 saistīšana; 2 - ATP fosfoanhidrīda saites veidošanās; 3 - galaprodukta izlaišana. Ar katru protona pārnešanu caur kanālu F 0 uz matricu visi 3 aktīvie centri katalizē nākamo cikla fāzi. Elektroķīmiskā potenciāla enerģija tiek tērēta stieņa rotācijai, kā rezultātā α un β apakšvienību konformācija mainās cikliski un tiek sintezēts ATP.
3. Oksidācijas koeficients
fosforilēšana
NADH molekulas oksidēšana CPE notiek kopā ar 3 ATP molekulu veidošanos; elektroni no FAD atkarīgām dehidrogenāzēm iekļūst CPE KoQ, apejot pirmo konjugācijas punktu. Tāpēc veidojas tikai 2 ATP molekulas. Fosforskābes (P) daudzuma attiecību, ko izmanto ADP fosforilēšanai, ar skābekļa atomu (O), kas absorbēts elpošanas laikā, sauc par oksidatīvās fosforilēšanas koeficientu un apzīmē ar P / O. Tāpēc NADH P / O \u003d 3, sukcināta P / O-2. Šīs vērtības atspoguļo ATP sintēzes teorētisko maksimumu, patiesībā šī vērtība ir mazāka.
Elektronu pārneses ķēdes regulēšana (elpošanas kontrole). Audu elpošanas un oksidatīvās fosforilēšanas disociācija. Audu elpošanas termoregulācijas funkcija. Enerģijas metabolisma termogeniskā funkcija brūnajos taukaudos.
Elpošanas kontrole
Substrātu oksidēšana un ADP fosforilēšana mitohondrijos ir cieši saistīta. ATP lietošanas ātrums regulē elektronu plūsmas ātrumu CPE. Ja ATP netiek izmantots un tā koncentrācija šūnās palielinās, tad apstājas arī elektronu plūsma uz skābekli. No otras puses, ATP patēriņš un tā pārvēršana ADP palielina substrātu oksidāciju un skābekļa absorbciju. Mitohondriju elpošanas ātruma atkarību no ADP koncentrācijas sauc par elpošanas kontroli. Elpošanas kontroles mehānismu raksturo augsta precizitāte un tas ir svarīgi, jo tā darbības rezultātā ATP sintēzes ātrums atbilst šūnas enerģijas vajadzībām. Šūnā esošie ATP veikali neeksistē. ATP / ADP relatīvās koncentrācijas audos mainās šaurās robežās, savukārt šūnas enerģijas patēriņš, t.i. ATP un ADP cikla rotācijas biežums var mainīties desmitiem reižu.