Sinteza ATP este un proces. Sinteza ATP în mitocondriile celulare
3. Coeficientul de fosforilare oxidativă
Oxidarea moleculei NADH în CPE este însoțită de formarea a 3 molecule ATP; electronii din dehidrogenazele dependente de FAD intră în CPE pe KoQ, ocolind primul punct de conjugare. Prin urmare, se formează doar 2 molecule de ATP. Raportul dintre cantitatea de acid fosforic (P) utilizat pentru fosforilarea ADP la atomul de oxigen (O) absorbit în timpul respirației se numește coeficient de fosforilare oxidativă și este notat cu P / O. Prin urmare, pentru NADH Р / О \u003d 3, pentru succinat Р / О - 2. Aceste valori reflectă maximul teoretic al sintezei ATP, de fapt, această valoare este mai mică.
49. Reglarea lanțului de transport al electronilor (control respirator). Disocierea respirației tisulare și fosforilarea oxidativă. Funcția termoreglatorie a respirației tisulare. Funcția termogenă a metabolismului energetic în țesutul adipos maro.
4. Controlul respirator
Oxidarea substraturilor și fosforilarea ADP în mitocondrii sunt strâns cuplate. Rata de utilizare a ATP reglează rata fluxului de electroni în CPE. Dacă ATP nu este utilizat și concentrația sa în celule crește, atunci fluxul de electroni către oxigen se oprește. Pe de altă parte, consumul de ATP și conversia acestuia în ADP mărește oxidarea substraturilor și absorbția oxigenului. Dependența intensității respirației mitocondriale de concentrația ADP se numește control respirator. Mecanismul de control respirator este caracterizat de o precizie ridicată și este important, deoarece, ca urmare a acțiunii sale, rata de sinteză a ATP corespunde cerințelor energetice ale celulei. Rezervele ATP din celulă nu există. Concentrațiile relative de ATP / ADP în țesuturi variază în limite înguste, în timp ce consumul de energie de către celulă, adică frecvența rotațiilor ciclului ATP și ADP poate varia de zeci de ori.
B. Transportul ATP și ADP prin membranele mitocondriale
În majoritatea celulelor eucariote, sinteza cantității principale de ATP are loc în interiorul mitocondriilor, iar principalii consumatori de ATP se află în afara acesteia. Pe de altă parte, trebuie menținută o concentrație suficientă de ADP în matricea mitocondrială. Aceste molecule încărcate nu pot trece independent prin stratul lipidic al membranelor. Membrana interioară este impermeabilă la substanțele încărcate și hidrofile, dar conține o anumită cantitate de transportori care transferă selectiv astfel de molecule din citosol în matrice și din matrice în citosol.
Membrana conține o proteină antiporter ATP / ADP care efectuează transportul acestor metaboliți peste membrană (Fig. 6-16). Molecula ADP intră în matricea mitocondrială numai dacă molecula ATP este eliberată din matrice.
Forța motrice a acestui schimb este potențialul de membrană al transferului de electroni de-a lungul CPE. Calculele arată că aproximativ un sfert din energia liberă a potențialului de protoni este cheltuită pentru transportul ATP și ADP. Alți transportori pot utiliza, de asemenea, energia gradientului electrochimic. Acesta este modul în care fosfatul anorganic necesar pentru sinteza ATP este transferat în mitocondrii. Sursa directă de energie liberă pentru transportul Ca 2+ în matrice este, de asemenea, potențialul de protoni, mai degrabă decât energia ATP.
B. Decuplarea respirației și fosforilării
Unele substanțe chimice (protonofori) pot transfera protoni sau alți ioni (ionofori) din spațiul intermembranar prin membrană către matrice, ocolind canalele protonice ale ATP sintazei. Ca urmare, potențialul electrochimic dispare și sinteza ATP se oprește. Acest fenomen se numește disociere a respirației și fosforilării. Ca urmare a decuplării, cantitatea de ATP scade, iar ADP crește. În acest caz, rata de oxidare a NADH și FADH 2 crește și crește și cantitatea de oxigen absorbit, dar energia este eliberată sub formă de căldură, iar raportul P / O scade brusc. De regulă, decuplătoarele sunt substanțe lipofile care trec cu ușurință prin stratul lipidic al membranei. Una dintre aceste substanțe este 2,4-dinitrofenol, care trece cu ușurință de la forma ionizată la cea neionizată, atașând un proton în spațiul intermembranar și transferându-l în matrice.
Exemple de decuplatoare pot fi, de asemenea, unele medicamente, de exemplu, dicumarolul - un anticoagulant sau metaboliți care se formează în organism, bilirubina - un produs catabolic, tiroxina - un hormon glanda tiroida... Toate aceste substanțe prezintă un efect de decuplare numai la concentrația lor ridicată.
D. Funcția termoreglatorie a CPE
Sinteza moleculelor de ATP consumă aproximativ 40-45% din energia totală a electronilor transferați de-a lungul CPE, aproximativ 25% este cheltuit pentru activitatea de transfer a substanțelor prin membrană. Restul energiei este disipată sub formă de căldură și este utilizată de animalele cu sânge cald pentru a menține temperatura corpului. În plus, poate apărea o formare suplimentară de căldură atunci când respirația și fosforilarea sunt deconectate. Decuplarea fosforilării oxidative poate fi benefică din punct de vedere biologic. Generează căldură pentru a menține temperatura corpului la nou-născuți, la animalele care hibernează și la toate mamiferele în timpul adaptării la frig. La nou-născuți, precum și la animalele care hibernează, există un țesut special care se specializează în producția de căldură prin separarea respirației și fosforilării - grăsime brună. Grăsimea brună conține multe mitocondrii. În membrana mitocondrială, există un exces mare de enzime respiratorii în comparație cu ATP sintaza. Aproximativ 10% din toate proteinele sunt așa-numita proteină de decuplare (RB-1) - termogenină. Grăsimea brună este prezentă la nou-născuți, dar este practic absentă la un adult. ÎN anul trecut Au apărut fapte care indică existența proteinelor de decuplare în mitocondriile diferitelor organe și țesuturi ale mamiferelor, similare ca structură cu RB-1 a țesutului adipos brun. În structura sa, termogenina este apropiată de antiporterul ATP / ADP, dar nu este capabilă să transporte nucleotide, deși și-a păstrat capacitatea de a transporta anioni de acizi grași care servesc drept decuplători.
La exteriorul membranei, anionul acid gras atașează un proton și, ca atare, traversează membrana; pe partea interioară a membranei, aceasta se disociază, cedând un proton la matrice și reducând astfel gradientul de protoni. Anionul rezultat este returnat în exteriorul membranei prin intermediul unui antiportor ATP / ADP.
Răcirea stimulează eliberarea de norepinefrină de la capătul nervilor simpatici. Ca rezultat, lipaza este activată în țesutul adipos, iar grăsimile sunt mobilizate din depozitele de grăsimi. Acizii grași liberi rezultați servesc nu numai ca „combustibil”, ci și ca un important regulator al decuplării respirației și fosforilării.
H + -translocare ATP sintază constă din două părți: un canal de protoni (F 0) încorporat în membrana a cel puțin 13 subunități și subunitate catalitică (F 1) servire în matrice. „Capul” părții catalitice este format din trei subunități α și trei β, între care există trei centri activi. „Trunchiul” structurii este format din polipeptidele F 0 -partea și subunitățile γ-,-și ε ale capului.
Ciclul catalitic este împărțit în trei faze, fiecare dintre ele având loc alternativ în trei situri active. În primul rând, există o legare a ADP (ADP) și P 1 (1), apoi se formează o legătură fosfohidrură (2) și, în cele din urmă, produsul final al reacției (3) este eliberat. Cu fiecare transfer al unui proton prin canalul proteinei F 0 în matrice, toți cei trei centri activi catalizează etapa următoare a reacției. Se presupune că energia transportului protonilor este cheltuită în principal pe rotația subunității γ, ca urmare a căreia conformațiile subunităților α și β se modifică ciclic.
Articole din secțiunea „Sinteza ATP”:
- B. ATP sintază
2012-2019. Biochimie vizuală. Biologie moleculara. Amoniac. Enzime și caracteristicile lor.
Cartea de referință într-o formă vizuală - sub formă de scheme de culori - descrie toate procesele biochimice. Compușii chimici importanți din punct de vedere biochimic, structura și proprietățile acestora, principalele procese cu participarea lor, precum și mecanismele și biochimia sunt considerați procese critice în animale sălbatice. Pentru studenții și profesorii universităților chimice, biologice și medicale, biochimiști, biologi, medici, precum și toți cei interesați de procesele vieții.
Activitatea enzimelor respiratorii este reglementată de un efect numit controlul respirator.
Este efectul direct al gradientului electrochimic asupra vitezei de mișcare a electronilor de-a lungul lanțului respirator (adică asupra cantității de respirație). La rândul său, magnitudinea gradientului depinde direct de raportul ATP / ADP, a cărei sumă cantitativă în celulă este practic constantă ([ATP] + [ADP] \u003d const). Reacțiile catabolice au scopul de a menține în mod constant niveluri ridicate de ATP și ADP scăzute.
O creștere a gradientului de protoni are loc cu o scădere a cantității de ADP și a acumulării de ATP ( stare de repaus), adică când ATP sintaza este lipsită de substrat și ionii H + nu pătrund în matricea mitocondrială... În acest caz, efectul inhibitor al gradientului crește și mișcarea electronilor de-a lungul lanțului încetinește... Complexele enzimatice rămân într-o stare redusă. Consecința este o scădere a oxidării NADH și FADH 2 pe complexele I și II, inhibarea enzimelor CTX cu participarea NADH și încetinirea catabolismului intr-o cusca.
Gradientul electrochimic versus viteza electronilor
O scădere a gradientului de protoni apare atunci când rezervele de ATP sunt epuizate și ADP este în exces, adică când celula funcționează... În acest caz aTP sintază funcționează activ și ionii H + trec prin canalul F o în matrice... În acest caz, gradientul de protoni scade în mod natural, fluxul de electroni de-a lungul lanțului crește și, ca rezultat, pomparea ionilor H + în spațiul intermembranar crește și din nou „scufundarea” lor rapidă prin ATP sintază în mitocondrii cu sinteza ATP. Complexele enzimatice I și II sporesc oxidarea NADH și FADH 2 (ca surse de electroni) și efectul inhibitor al NADH este eliminat pentru ciclul acidului citric și complexul piruvat dehidrogenazei. Ca rezultat - reacțiile catabolice sunt activate glucide și grăsimi.
Acidul adenozin trifosforic-ATP - o componentă energetică obligatorie a oricărei celule vii. ATP este, de asemenea, o nucleotidă, constând dintr-o bază azotată de adenină, un zahăr riboză și trei reziduuri ale unei molecule de acid fosforic. Aceasta este o structură instabilă. ÎN procesele metabolice reziduurile de acid fosforic sunt scindate secvențial din acesta prin ruperea cu o legătură energetică, dar fragilă, între al doilea și al treilea reziduu de acid fosforic. Desprinderea unei molecule de acid fosforic este însoțită de eliberarea a aproximativ 40 kJ de energie. În acest caz, ATP este transformat în acid adenozin difosforic (ADP) și, cu scindarea suplimentară a reziduului de acid fosforic din ADP, se formează acid adenozin monofosforic (AMP).
Schema structurii ATP și transformarea sa în ADP (T.A. Kozlova, V.S. Kuchmenko. Biologia în tabele. M., 2000 )
În consecință, ATP este un fel de acumulator de energie în celulă, care este „descărcat” atunci când se descompune. Defalcarea ATP are loc în timpul sintezei de proteine, grăsimi, carbohidrați și orice alte funcții vitale ale celulelor. Aceste reacții au loc cu absorbția de energie, care este extrasă în timpul descompunerii substanțelor.
ATP este sintetizat în mitocondrii în mai multe etape. Primul este pregătitor - continuă treptat, cu implicarea unor enzime specifice la fiecare etapă. În acest caz, compușii organici complecși sunt împărțiți în monomeri: proteine \u200b\u200b- la aminoacizi, carbohidrați - la glucoză, acizi nucleici - la nucleotide etc. Ruptura legăturilor din aceste substanțe este însoțită de eliberarea unei cantități mici de energie. Monomerii formați sub acțiunea altor enzime pot suferi o descompunere suplimentară prin formarea unor substanțe mai simple până la dioxid de carbon și apă.
Sistem Sinteza ATP în autocondriile celulei
EXPLICAȚII LA CONVERSIA SCHEMEI DE SUBSTANȚE ȘI ENERGIE ÎN PROCESUL DE DISIMILARE
Etapa I - pregătitoare: substanțele organice complexe sub acțiunea enzimelor digestive se descompun în unele simple, în timp ce se eliberează doar energie termică.
Proteine \u200b\u200b-\u003e aminoacizi
Grăsimi- >
glicerină și acizi grași
Amidon -\u003e glucoza
Etapa II - glicoliză (anoxică): efectuată în hialoplasmă, neasociată cu membranele; enzimele sunt implicate în ea; glucoza suferă scindare:
La ciupercile de drojdie, molecula de glucoză, fără participarea oxigenului, este transformată în etanol și dioxid de carbon (fermentație alcoolică):
În alte microorganisme, glicoliza se poate încheia cu formarea de acetonă, acid acetic etc. În toate cazurile, descompunerea unei molecule de glucoză este însoțită de formarea a două molecule de ATP. În timpul descompunerii anoxice a glucozei, 40% din energie este reținută în molecula ATP sub formă de legătură chimică, iar restul se disipă sub formă de căldură.
Etapa III - hidroliză (oxigen): se efectuează în mitocondrii, este asociată cu matricea mitocondrială și membrana interioară, enzimele sunt implicate în ea, acidul lactic suferă clivaj: CsH6Os + 3H20 -\u003e 3CO2 + 12H. CO2 (dioxid de carbon) este eliberat din mitocondrii în mediu. Atomul de hidrogen este inclus într-un lanț de reacții, al cărui rezultat final este sinteza ATP. Aceste reacții se desfășoară în următoarea succesiune:
1. Atomul de hidrogen H, cu ajutorul enzimelor purtătoare, intră în membrana mitocondrială interioară, formând criste, unde este oxidat: H-e -\u003e H +
2. Protonul hidrogenului H + (cation) este transportat de purtători către suprafața exterioară a membranei crestelor. Pentru protoni, această membrană este impermeabilă, astfel că se acumulează în spațiul intermembranar, formând un rezervor de protoni.
3. Electroni de hidrogen e transferat pe suprafața interioară a membranei cristelor și atașat imediat la oxigen folosind enzima oxidază, formând un oxigen activ încărcat negativ (anion): O2 + e -\u003e O2-
4. Cationii și anionii de pe ambele părți ale membranei creează câmp electric încărcat opus, iar când diferența de potențial ajunge la 200 mV, canalul proton începe să funcționeze. Apare în moleculele enzimelor ATP sintetază, care sunt încorporate în membrana interioară care formează cristae.
5. Prin canalul de protoni, protoni de hidrogen H +grăbește-te în mitocondrie, creând nivel inalt energie, majoritatea care merge la sinteza ATP din ADP și F (ADP + F -\u003e ATP) și protoni H + interacționează cu oxigenul activ pentru a forma apa și molecula 02:
(4H ++ 202- -\u003e 2H20 + 02)
Astfel, O2 care intră în mitocondrii în timpul respirației corpului este necesar pentru atașarea protonilor de hidrogen H. În absența sa, întregul proces din mitocondrii se oprește, deoarece lanțul de transport al electronilor încetează să funcționeze. Reacție generală Etapa III:
(2CzNboz + 6Oz + 36ADP + 36F ---\u003e 6CO2 + 36ATF + + 42H20)
Ca rezultat al clivării unei molecule de glucoză, se formează 38 de molecule de ATP: în stadiul II - 2 ATP și în stadiul III - 36 ATP. Moleculele ATP formate depășesc mitocondriile și participă la toate procesele celulare în care este nevoie de energie. Prin divizare, ATP renunță la energie (o legătură fosfat conține 40 kJ) și revine la mitocondrii sub formă de ADP și F (fosfat).
ATP sintaza (H + -ATP-ase) este o proteină integrală a membranei mitocondriale interne. Se află în imediata apropiere a lanțului respirator. ATP sintaza constă din 2 complexe proteice, desemnate ca F 0 și F 1 (Fig. 6-15).
Figura: 6-15. Structura și mecanismul de acțiune al ATP sintazei. A - F 0 și F 1 - Complexe ATP-sintază, F 0 conține lanțuri polipeptidice care formează un canal care pătrunde prin membrană prin și prin. Prin acest canal, protonii revin la matrice din spațiul intermembranar; proteina F 1 iese în matrice din partea interioară a membranei și conține 9 subunități, dintre care 6 formează 3 perechi de α și β („cap”), acoperind partea centrală, care este formată din 3 subunități γ, δ și ε . γ și ε sunt mobile și formează o tijă care se rotește în interiorul capului fix și este conectată cu complexul F0. În centrele active formate din perechi de subunități α și β, are loc legarea ADP, fosfat anorganic (P i) și ATP. B - Ciclul catalitic al sintezei ATP include 3 faze, fiecare dintre ele având loc alternativ în 3 centre active: 1 - legarea ADP și H 3 PO 4; 2 - formarea unei legături de fosfohidrură a ATP; 3 - lansarea produsului final. Cu fiecare transfer de protoni prin canalul F 0 în matrice, toți cei 3 centri activi catalizează următoarea fază a ciclului. Energia potențialului electrochimic este cheltuită la rotirea tijei, drept urmare conformația subunităților α și β se modifică ciclic și se sintetizează ATP.
3. Coeficientul de oxidare
fosforilarea
Oxidarea moleculei NADH în CPE este însoțită de formarea a 3 molecule ATP; electronii din dehidrogenazele dependente de FAD intră în CPE pe KoQ, ocolind primul punct de conjugare. Prin urmare, se formează doar 2 molecule de ATP. Raportul dintre cantitatea de acid fosforic (P) utilizat pentru fosforilarea ADP la atomul de oxigen (O) absorbit în timpul respirației se numește coeficient de fosforilare oxidativă și este notat cu P / O. Prin urmare, pentru NADH Р / О \u003d 3, pentru succinat Р / О - 2. Aceste valori reflectă maximul teoretic al sintezei ATP, de fapt, această valoare este mai mică.
Reglarea lanțului de transport al electronilor (control respirator). Disocierea respirației tisulare și fosforilarea oxidativă. Funcția termoreglatorie a respirației tisulare. Funcția termogenă a metabolismului energetic în țesutul adipos maro.
Controlul respirator
Oxidarea substraturilor și fosforilarea ADP în mitocondrii sunt strâns cuplate. Rata de utilizare a ATP reglează rata fluxului de electroni în CPE. Dacă ATP nu este utilizat și concentrația sa în celule crește, atunci fluxul de electroni către oxigen se oprește. Pe de altă parte, consumul de ATP și conversia acestuia în ADP mărește oxidarea substraturilor și absorbția oxigenului. Dependența intensității respirației mitocondriale de concentrația ADP se numește control respirator. Mecanismul de control respirator este caracterizat de o precizie ridicată și este important, deoarece, ca urmare a acțiunii sale, rata de sinteză a ATP corespunde cerințelor energetice ale celulei. Rezervele ATP din celulă nu există. Concentrațiile relative de ATP / ADP în țesuturi variază în limite înguste, în timp ce consumul de energie de către celulă, adică frecvența rotațiilor ciclului ATP și ADP poate varia de zeci de ori.