Синтез атф где. Аэробный синтез атф

Аденозинтрифосфорная кислота-АТФ - обязательный энергетический компонент любой живой клетки. АТФ также нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, сахара рибозы и трех остатков молекулы фосфорной кислоты. Это неустойчивая структура. В обменных процессах от нее последовательно отщепляются остатки фосфорной кислоты путем разрыва богатой энергией, но непрочной связи между вторым и третьим остатками фосфорной кислоты. Отрыв одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением около 40 кДж энергии. В этом случае АТФ переходит в аденозиндифосфорную кислоту (АДФ), а при дальнейшем отщеплении остатка фосфорной кислоты от АДФ образуется аденозинмонофосфорная кислота (АМФ).

Схема строения АТФ и превращения ее в АДФ (Т.А. Козлова, В.С. Кучменко. Биология в таблицах. М.,2000)

Следовательно, АТФ - своеобразный аккумулятор энергии в клетке, который "разряжается" при ее расщеплении. Распад АТФ происходит в процессе реакций синтеза белков, жиров, углеводов и любых других жизненных функций клеток. Эти реакции идут с поглощением энергии, которая извлекается в ходе расщепления веществ.

АТФ синтезируется в митохондриях в несколько этапов. Первый из них - подготовительный - протекает ступенчато, с вовлечением на каждой ступени специфических ферментов. При этом сложные органические соединения расщепляются до мономеров: белки - до аминокислот, углеводы - до глюкозы, нуклеиновые кислоты - до нуклеотидов и т. д. Разрыв связей в этих веществах сопровождается выделением небольшого количества энергии. Образовавшиеся мономеры под действием других ферментов могут претерпеть дальнейший распад с образованием более простых веществ вплоть до диоксида углерода и воды.

Схема Синтез АТФ в мвтохондрии клетки

ПОЯСНЕНИЯ К СХЕМЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В ПРОЦЕССЕ ДИССИМИЛЯЦИИ

I этап - подготовительный: сложные органические вещества под действием пищеварительных ферментов распадаются на простые, при этом выделяется только тепловая энергия.
Белки ->аминокислоты
Жиры-> глицерин и жирные кислоты
Крахмал ->глюкоза

II этап-гликолиз (бескислородный): осуществляется в гиалоплазме, с мембранами не связан; в нем участвуют ферменты; расщеплению подвергается глюкоза:

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение):

У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и т, д. Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. В ходе бескислородного расщепления глюкозы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40% анергии, а остальная рассеивается в виде теплоты.

III этап-гидролиз (кислородный): осуществляется в митохондриях, связан с матриксом митохондрий и внутренней мембраной, в нем участвуют ферменты, расщеплению подвергается молочная кислота: СзН6Оз+ЗН20 -->3СО2+ 12Н. С02 (диоксид углерода) выделяется из митохондрий в окружающую среду. Атом водорода включается в цепь реакций, конечный результат которых - синтез АТФ. Эти реакции идут в такой последовательности:

1. Атом водорода Н с помощью ферментов-переносчиков поступает во внутреннюю мембрану митохондрий, образующую кристы, где он окисляется: Н-е-->H+

2. Протон водорода H+ (катион) выносится переносчиками на наружную поверхность мембраны крист. Для протонов эта мембрана непроницаема, поэтому они накапливаются в межмембранном пространстве, образуя протонный резервуар.

3. Электроны водорода e переносятся на внутреннюю поверхность мембраны крист и тут же присоединяются к кислороду с помощью фермента оксидазы, образуя отрицательно заряженный активный кислород (анион): O2 + е-->O2-

4. Катионы и анионы по обе стороны мембраны создают разноименно заряженное электрическое поле, и когда разность потенциалов достигнет 200 мВ, начинает действовать протонный канал. Он возникает в молекулах ферментов АТФ-синтетаз, которые встроены во внутреннюю мембрану, образующую кристы.

5. Через протонный канал протоны водородаH+ устремляются внутрь митохондрий, создавая высокий уровень энергии, большая часть которой идет на синтез АТФ из АДФ и Ф (АДФ+Ф-->АТФ), а протоны H+ взаимодействуют с активным кислородом, образуя воду и молекулярный 02:
(4Н++202- -->2Н20+02)

Таким образом, О2, поступающий в митохондрии в процессе дыхания организма, необходим для присоединения протонов водорода Н. При его отсутствии весь процесс в митохондриях прекращается, так как электронно-транспортная цепь перестает функционировать. Общая реакция III этапа:

(2СзНбОз + 6Oз + 36АДФ + 36Ф ---> 6С02 + 36АТФ + +42Н20)

В результате расщепления одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ: на II этапе - 2 АТФ и на III этапе - 36 АТФ. Образовавшиеся молекулы АТФ выходят за пределы митохондрии и участвуют во всех процессах клетки, где необходима энергия. Расщепляясь, АТФ отдает энергию (одна фосфатная связь заключает 40 кДж) и в виде АДФ и Ф (фосфата) возвращается в митохондрии.

Для нас сейчас важно, зато молекула аденозинтрифосфорной кислоты содержит так называемую макроэргическую связь. Реакция синтеза представлена на схеме.

АДФ+Ф ==> АТФ +H 2 O

Из аденозиндифосфата и фосфата получается АТФ, при этом образуется так называемая макроэргическая связь, и на ее образование затрачивается 30,6 кДж/моль (7,3 ккал/моль). АТФ обеспечивает энергией большинство происходящих в клетке процессов, так как при гидролизе макроэргической связи запасенная в ней энергия освобождается.

Как же синтезируется эта молекула, то есть, как образуется макроэргическая связь между фосфатами? Это было одно время загадкой. Существовало предположение о том, что есть какое-то вещество Х, химический посредник, осуществляет связь между процессами, дающими энергию, то есть окислением питательных веществ до СО2 и Н2О, и каким -то образом энергия окисления (в своем роде медленное "горение" внутри организма) переходит в энергию макроэргической связи в молекуле АТФ. Это предположение о наличии химического посредника, которого никто найти не мог, называлось гипотезой химического сопряжения (рис. 6).

Но в 1961 г. английский ученый Питер Митчелл предложил другое объяснение - хемиосмотическую гипотезу (подробнее мы о ней будем говорить позже), которая заключается в том, что вода, которая образуется в процессе окисления, образуется не в виде молекулы воды, а виде протона H+ и иона гидроксила OH - . Энергия, получаемая при окислении, идет на то, чтобы продукты реакции - протон и гидроксил - разделить в пространстве. Протон выбрасывается из митохондрий через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство (сам по себе протон не может проникнуть через мембрану митохондрии, эта мембрана непроницаема для заряженных частиц), и гидроксогруппы, которая остается внутри митохондрии.

В результате возникает разница концентраций ионов водорода (∆рН - то есть кислотности среды) и разница потенциала: положительные заряды снаружи митохондриальной мембраны, а отрицательный внутри. Напомним, что у митохондрий 2 мембраны, причем внешняя в энергетических процессах такой важной роли, как внутренняя, не играет. То есть энергия, полученная при окислении, запасена в виде электрохимической энергии. Электрический потенциал на мембране митохондрий достигает 200 милливольт, а толщина мембраны не превышает 10 нм.

Питер Митчелл первый высказал предположение о том, что химические реакции в клетке пространственно упорядочены, и продукты реакции распределяются асимметрично: протон в одну сторону, гидроксил в другую. За счет этого появляется электрохимический потенциал на мембране (обозначается Δμн). Он состоит из химической (∆рН - разница в концентрации протонов) и электрической (Δφ - разница в величине заряда) компоненты Δμн=∆рН + Δφ. Электрохимический потенциал на мембране митохондрий - универсальная форма запасания энергии клеткой.

Протоны могут перекачиваться через мембрану и при фотосинтезе в хлоропластах или в клетках фотосинтезирующих бактерий (Рис. 8).

На рисунке представлена довольно простая система бактериального фотосинтеза, сопряженного с синтезом АТФ на примере галобактерий. Галобактерии живут в Мертвом море. Море настолько соленое, что соль выпадает в осадок, но в таких экстремальных условиях галобактерии прекрасно себя чувствуют. Галобактерии используют фотосинтез для получения энергии. Белок бактериородопсин под действием света выкачивает протоны изнутри бактериальной клетки наружу, и на мембране снаружи избыток протонов, и, соответственно, образуется положительный заряд. То есть в данном случае электрохимический потенциал на мембране бактерии возникает не за счет окисления веществ в процессе дыхания, а за счет работы, связанной со световой энергией.

Если протон "падает" сквозь мембрану внутрь митохондрии, при этом его потенциальная энергия уменьшается, так как он "падает" в электрическом поле от положительного заряда к отрицательному, и вдобавок по градиенту концентрации. Эта энергия используется для синтеза АТФ. И далее пойдет речь о том, как это происходит.

Синтезом АТФ занимается молекулярная машина, которая называется АТФ-синтаза. Она состоит из двух частей. Первая погружена в мембрану называется F 0 (см. рисунок). Она представляет собой протонный канал, то есть это дыра в мембране, по которой протон может попасть внутрь митохондрии, но попадает он внутрь с потерей энергии, которую улавливает вторая часть молекулярной машины, которая называется F 1 . Эта часть АТФ-синтазы торчит внутрь митохондрии и использует энергию "падающих" через F 0 протонов для того, чтобы аденозиндифосфат соединился с фосфатом посредством макроэргической связи и образовал молекулу АТФ.

Рассмотрим, как АТФ-синтаза синтезирует АТФ. Оказывается, что прежде всего совершается работа механическая, так как для осуществления синтеза АТФ в АТФ-синтазе крутится белковая структура. Как устроена АТФ-синтаза?

Она состоит из двух частей - статора (на рисунке 9 помечено синим цветом), и ротора (обозначен красным). Статор состоит из трех альфа субъединиц и трех бета субъединиц - они занимаются химической частью работы: синтезом АТФ из АДФ и фосфата. В собранном состоянии все вместе эти субъединицы по форме напоминают слега приплюснутый шар 8 нм в высоту и 10 нм в диаметре.

К ним примыкает дельта субъединица, и все вместе эта система образует F1 субъединицу молекулярной машины. Здесь же есть опора, которая «якорит» всю систему в мембране. Как известно, мембрана сделана из фосфолипидов (на рисунке показаны желтым). Гидрофильные "головки" фосфолипидов обращены в водную поверхность, а гидрофобные "хвосты" погружены внутрь мембраны, и именно они препятствуют перемещению заряженных частиц через мембрану. Вращающаяся часть машины, ротор, состоит из гамма и эпсилон субъединиц. Эта конструкция погружена в структуру, сделанную из одинаковых белков, они обозначаются буквой с. Статор держится в мембране, а ротор крутится. И энергия протона используется на то, чтобы прокрутить ротор этой машины.

Молекулярная машина работает в обе стороны (так же как и катализаторы, которые проводят реакцию как в прямую, так и в обратную стороны). Если течет протонный ток с наружной мембраны внутрь, то синтезируется АТФ; если же протонного потенциала нет, но подать с внутренней стороны АТФ, то машина начнет «выкачивать» протоны, создавая протонный потенциал. При этом ротор также вращается.

Для того, чтобы доказать, что в АТФ синтазе вращается часть машины, F1 фрагмент перевернули, «пришили» к неподвижной подложке, а к гамма-субъединице навесили искусственным образом нить актина (длинный белок, который можно было увидеть в микроскоп, так как он был мечен флуоресцентной меткой). Затем подали к этой системе энергию в виде АТФ, и оказалось, что при наличии АТФ гамма субъединица начала крутиться. Все это сняли на пленку. Было видно, как крутится флуоресцентная метка на актиновом хвостике, и было показано, что действительно происходит вращение во время работы этой молекулярной машины (рис. 10).

Теперь разберем, как же крутится этот ротор; как работает электромотор в мембране клеток, как у бактерий, так и у митохондрий высших организмов. Если вы вспомните временную ось возникновения жизни, то увидите, что возникнуть этот мотор должен был более трех миллиардов лет назад.

Как же используется протонный ток, чтобы крутить мотор? Оказалось, что в статоре имеется протонный канал, т.е. такой белок, который образует проход для протона. Но этот канал не сплошной. Если бы был канал, который пронизывал всю мембрану насквозь, то из-за разницы потенциалов все протоны потекли бы внутрь митохондрии, и произошла бы деэнергетизация мембраны, т.е. она бы разрядилась. Но канал устроен очень хитро. Он состоит из двух половинок (полу-каналов), которые, к тому же, смещены одна относительно другой (рис. 1).

Структура этой машины такова, что протон проваливается через полуканал с наружной стороны митохондриальной мембраны, но попасть внутрь митохондрии он не может. Сваливается протон на подставленную ему аминокислоту ротора и эту аминокислоту протонирует, то есть на аминокислоте появляется дополнительный положительный заряд. Затем, когда протонированная аминокислота на вращающемся роторе доедет до следующей половинки канала, ведущей уже внутрь митохондрии (а внутри протонов мало и, кроме того, там протон поджидают отрицательно заряженные ионы), то протон наконец "падает" внутрь и аминокислота освобождается от положительного заряда. Заряды в роторе и статоре расположены таким образом, что протонирование - депротонирование приводит к повороту машины. Таким образом, протон в два приема проваливается внутрь митохондрии, и за счет этого мотор проворачивается.

За объяснение ферментативного механизма, лежащего в основе синтеза АТФ, два исследователя получили Нобелевскую премию: Пол Д. Бойер, США и Джон Э. Уолкер, Великобритания (Нобелевская премия 1997 года).

Было рассказано, как мотор крутится, но не было объяснено, почему синтезируется АТФ. Сейчас подробно мы на этом останавливаться не будем, но вкратце, объяснить это можно следующим образом. Представим АТФ в таком виде: АТФ=АДФ~Ф. Собственно, почему при разрыве этой связи выделяется большое количество энергии? При разрыве образуется отрицательно заряженный фосфат, который гидратируется (покрывается «шубой» из молекул воды). Как вы помните, вода - это диполь (кислород имеет частично отрицательный заряд, а два водорода - положительный). И за счет гидратирования эта энергия и получается. Но если синтез АТФ идет в той среде, где воды нет, т.е. в гидрофобной среде, то макроэргической эта реакция не является. Показано, что когда происходит образование ковалентной связи между фосфатными группами молекул АДФ и Ф, ферменту практически не требуется энергии. Реакции синтеза и гидролиза ATP в каталитическом центре фермента активно идут при отсутствии внешнего источника энергии. Условия, в которых находятся молекулы АДФ и Ф в каталитическом центре, существенно отличаются от условий протекания реакции в водной среде, благодаря чему образование молекулы АТФ в активном центре фермента может происходить энергетически "бесплатно". Энергия "падающих" протонов тратится потом на то, чтобы «выпихнуть» вон АТФ, отцепить его от каталитической субъединицы.

Таким образом, за счет электрохимического потенциала на внутренней мембране митохондрий внутри клетки или митохондрий совершается механическая работа, сопряженная с химическим синтезом.

На рисунке виден срез митохондрии (рис. 12). Внутри содержится матрикс и выросты (складки) - кристы, на которых и расположена АТФ-синтаза. Зачем нужны складки? Чтобы увеличить площадь поверхности. Количество складок внутри митохондрий зависит от того, насколько интенсивно ей приходится работать, сколько энергии нужно клетке. Митохондрии в клетках печени имеют гораздо меньше крист, чем, например, в клетках сердца.

В хлоропластах происходит точно такой же процесс синтеза АТФ, также работает АТФ-синтаза, как и в митохондриях, но источником протонного потенциала является уловленная энергия света. Там тоже есть складки, они называются тилакоидами. Только в хлоропластах все как бы вывернуто наизнанку. То есть протоны за счет энергии света накапливаются снаружи этих образований.

Как известно, живые системы функционируют благодаря использованию различных видов энергии трансформированием их в энергию химических связей. В клетке химическая энергия запасается в виде так называемых «высокоэнергетических» метаболитов. Наиболее важным таким метаболитом, макроэргом, обеспечивающим энергией большинство энергозависимых процессов в клетке, является нуклеотидный коэфермент аденозинтрифосфат АТФ (рис.1). В молекуле АТФ цепочка из трех фосфатных остатков (α, β, γ) связана 5 ΄ -ОН-группой аденозин. Рибоза связана с α-фосфатом устойчивой фосфорноэфирной связью. Три фососфатных остатка связаны между собой менее устойчивыми фосфоангидридными связями. При физиологических значениях рН АТФ несет четыре отрицательных заряда. Изменение свободной энергии ΔG 0 гидролиза фосфоангидридных связей составляет 30-35 кДж/моль. В клетке, в физиологических условиях измение свободной энергии гидролиза АТФ еще выше и может доходить до 50 кДж/моль. Гидролиз АТФ в клетках сопровождается выделением свободной энергии, которая расходуется на выполнение эндергонических (энергозатратных) процессов, таких как биосинтез, движение, транспорт и др. Соответственно, синтез АТФ является высоко эндергонической реакцией, поэтому он должен сопрягаться высоко экзергоническим процессом. Молекула АТФ является самым важным и универсальным энергетическим посредником, которая обеспечивает генерирование химической энергии и ее использование для выполнения биологических функций у всех организмов. Остальные нуклеозидтрифосфатные коэферменты, химически похожие на АТФ (ГТФ, ЦТФ, УТФ) выполняют в метаболических процессах другие функции.

Рис.1. Структура молекулы АТФ (кольман,125)

В ходе эволюции сформировались два важных способа синтеза АТФ, которые реализуются в живых клетках. Наиболее эффективный способ синтеза АТФ – это использование энергии градиента электрохимического потенциала биологических мембран для образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Энергия для создания такого градиента возникает в результате окислительно-восстановительного процесса в результате окисления химических субстратов (окислительное фосфорилирование) или под действием световой энергии (фотофосфорилирование).

Второй, эволюционно более ранний способ синтеза АТФ осуществляется в анаэробных условиях. В этом случае перенос фосфатной группы на АТФ осуществляется через метаболит с высоким потенциалом переноса фосфатных групп. В качестве примера можно привести реакцию синтеза АТФ из креатинфосфата в мышечных клетках.

По способу преобразования энергии организмы (клетки) подразделяются на большие 2 группы : автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы для синтеза АТФ используют энергию электромагнитных (световых) волн или. Гетеротрофы – для синтеза АТФ используют энергию химических связей органических субстратов.

Синтез АТФ у автотрофных организмов мы подробно будем говорить на лекции, посвященному фотосинтезу. Сейчас приступим к рассмотрению процесса синтеза АТФ у аэробных организмов - окислительного фосфорилирования. Впервые синтез АТФ, сопряженный с внутриклеточным дыханием был обнаружен в начале 30-ых годов 20 века российским биохимиком В. А. Энгельгардом. Другой россиянин, В.А. Белицер, в 1939 году предположил, что окислительное фосфорилирование АДФ сопряжено с переносом электронов в дыхательной цепи. Американские ученые А.Ленинджер и Е. Кеннеди в 1949 году показали, что процесс окислительного фосфорилирования протекает в митохондриях.

Из курса цитологии вам известно, что митохондрии – это органеллы клетки палочкообразной или округлой формы, сравнительно больших размеров (до 2-3 мкм). Митохондрия окружена двойной элементарной мембраной, толщина каждой мембраны около 7-8 нм. Митохондрия имеет два внутренних отсека (компартмента): пространство между внутренней и внешней мембраной (межмембранное пространство ) и матрикс , пространство, ограниченное внутренней мембраной. Внутренняя мембрана образует многочисленные складки и выступы (кристы ), за счет чего достигается увеличение поверхности внутренней мембраны (рис.2). В митохондриях за счет окислительной деградации питательных веществ синтезируется большая часть необходимого клетке АТФ.

Рис. 2. Схема общей организации митохондрии 1 - внешняя мембрана; 2 - внутренняя мембрана; 3 - впячивания внутренней мембраны - кристы; 4 - места впячиваний, вид с поверхности внутренней мембраны

Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (жирные кислоты, пируват, углеродный скелет аминокислот) из цитоплазмы и их окислительное расщепление до СО 2 и Н 2 О, сопряженнное с синтезом АТФ. Соответственно, в митохондриях локализованы следующие метаболические процессы: 1) превращение топливных субстратов в ацетил-КоА 2) восстановление НАДН и ФАДН 2 в цикле Кребса 4) синтез АТФ в дыхательной цепи (рис. 3). Реакции двух первых процессов локализованы в матриксе, а дыхательная цепь располагается на внутренней мембране митохондрий. На этой мембране митохондрии находятся молекулярные переносчики электронов и ферменты, составляющие дыхательную (электронно-транспортную ) цепь. Компоненты дыхательной цепи осуществляют перенос электронов от НАДН или восстановленной формы убихинона QН 2 на молекулярный кислород. Вследствие большой разницы окислительно-восстановительных потенциалов (ОВП) доноров (НАДН 2 и QН 2) и акцептора (О 2), реакция переноса электронов является высоко экзергонической. Большая часть освобождающейся энергии расходуется на создание градиента концентрации протонов, которую фермент АТФ-синтаза использует для образования молекулы АТФ.

Основные компоненты ЭТС митохондрий следующие: комплекс 1 (НАДН: убихинон –оксиредуктаза или НАДН-дегидрогеназа); комлекс 11 (сукцинат: убихинон-оксиредуктаза или сукцинатдегидрогеназа); комплекс 111 (убихинол: цитохром с – оксиредуктаза); комплекс 1У (цитохром с: кислородоксиредуктаза); цитохром с; АТФ- синтетаза; АДФ – АТФ – транслоказа; убихинон..

Перечисленные компоненты ЭТС на мембране митохондрий располагаются в следующих стехиометрических соотношениях: комплекс 1: комплекс 2: комплекс 3: комплекс 4 как 1: 2: 3: 6. На каждый комплекс 1У приходится по 1 молекуле АТФ-азы и по 3-5 молекул АДФ-АТФ – транслоказы.

Перенос электронов по дыхательной цепи. Электроны, окисляющие кислород, проходят, по меньшей мере, десять промежуточных окислительно-восстановительных систем, большинство из которых представлены простетическими группами в комплексах 1, 111, 1У. Молекулярные переносчики (НАДН, флавопротеины, содержащие ФАД и ФМН в качестве простетических групп, убихинон) акцептируют и отдают по 2 электрона. Негемовые железосерные белки и цитохромы, содержащие порфириновые простетические группы, переносят по одному электрону (рис. 3).

Рис.3 . Поток электронов через три главных ферментативных комплекса при переносе электронов от НАД·Н к О 2

1 - НАД·Н-дегидрогеназный комплекс; 2 - с 1 -комплекс; 3 - цитохромоксидазный комплекс; 4 - убихинон; 5 - цитохром с; 6 - матрикс митохондрии; 7 - внутренняя митохондриальная мембрана; 8 - межмембранное пространство

Комплекс 1 катализирует перенос двух электронов от НАДН к убихинону и он также способен транспортировать через мембрану протоны. Комплекс 1 содержит ФМН и несколько белков с железносерными центрами с типом кластера 2 Fe – 2S и 4 Fe – 4S (рис.4). Согласно современным представлениям, эти центры представляют собой многоядерные комплексы железа, ковалентно связанные с атомами серы и цистеиновыми остатками белков.

Рис.4. Схема расположения железосерных кластеров в белковых молекулах. (Костюк, 321)

Комплекс 11 катализирует окисление сукцината убихиноном и не может переносить протоны. Комплекс содержит ФАД, цитохром b 557 и два железосерных центра Fe – S с типом кластера 2 Fe – 2S и один железносерный центр с типом кластера 4 Fe – 4S. Убихинон (коэнзим Q) в митохондриях животных клеток представлен в форме Q 10 , т.е. его молекула содержит цепь из 10 пятиуглеродных изопреновых остатков, что определяет высокую гидрофобность этой молекулы. Убихинон хорошо растворяется в липидной фазе мембраны и способен к трансмембранному переходу путем диффузии. Присоединяя два электрона и два протона, убихинон восстанавливается и превращается в убихинол QН 2 .

Комплекс 111 катализирует перенос электронов от убихинола к цитохрому с, способен также транспортировать протоны. В состав этого комплекса входят цитохромы b 562 , b 566 , цитохром c 1 , железносерный центр с типом кластеров 2 Fe – 2S.

Комплекс 1У переносит электроны от цитохрома с к кислороду. В состав этого комплекса входят фермент цитохром с-оксидаза с двумя гемами в молекулах цитохромов а и а 3 и два атома меди. Окисленная форма (Fe 3+) цитохромов а и а 3 принимает электроны от восстановленного цитохрома с и переходит в восстановленную форму (Fe 2+).

Значительная часть свободной энергии, которая выделяется при переносе электронов по ЭТС, запасается в форме АТФ на участках сопряжения биологического окисления с фосфорилированием. Участки сопряжения локализованы: 1) между НАДН-дегидрогеназой и цитохромом b, 2) между цитохромом b и цитохромом с, 3) между цитохромом с и кислородсвязывающим участком комплекса 1У (см. рис. 3). На этих участках ЭТС количество выделяющейся энергии достаточно для образования фосфоангидридной связи.

По-существу, транспорт электронов по дыхательной цепи митохондрии представляет собой последовательнось окислительно-восстановительных реакций. Перенос электронов в ЭТС осуществляется по градиенту значений окислительно-восстановительных потенциалов (ОВП) пар: донор электронов-акцептор электронов. Как известно, значение ОВП выражается в вольтах и характеризует способность донора отдавать электрон(ы) акцептору в сопряженной окислительно-восстановительной паре. ОВП окислительно-восстановительной пары может иметь и положительное, и отрицательное значение. Чем выше абсолютное значение ОВП системы, тем выше окислительно-восстановительные свойства системы. Величина и знак ОВП для окислительно- восстановительных пар позволяет предсказать направление движения электронов: электроны транспортируются от отрицательно заряженного донора к положительно заряженному (по отношению к донору) акцептору. Определение ОВП окислительно-восстановительных пар проводят путем измерения электродвижучей силы (ЭДС) с использованием стандартного (водородного) электрода. Водородный электрод представляет собой платиновую пластину, который погружен в 1 М раствор Н + находящийся в равновесии с газообразным Н 2 при давлении 1 атм. Потенциал такого стандартного электрода условно принимают равным нулю. Стандартный окислительно восстановительный потенциал Е 0 характеризует способность исследуемой редокс-системы окислять или восстановливать водородный электрод, при однаковой концентрации окислителя и восстановителя. Величину ОВП можно найти по следующей формуле

Е 0 = Е 0 + RTln Ox/ Red/nF

где Е 0 – стандартный редокс-потенциал; R – универсальная газовая постоянная; Т- абсолютная температура; Ox/ Red –отношение концентрации окисленной и восстановленной форм вещества; F- число Фарадея; n –число переносимых электронов.

В электронно-транспортной цепи митохондрий восстановителем (донором электронов) является атом водорода (в составе НАДН и ФАДН 2), окислителем служит атом кислорода, который в процессе дыхания восстановливается до Н 2 О. Как отмечалось выше, между этими молекулами находятся не менее 10 промежуточных молекулярных переносчиков электронов, за счет работы которых энергия окислительно-восстановительных реакций преобразуется в энергию фосфоангидридной связи в молекуле АТФ. Энергия образования фосфоангидридной связи в АТФ при стандартных условиях составляет ΔG 0 = - 35 кДж/моль, что соответствует изменению редокс-потенциала Δ Е 0 = - ΔG 0 / nF = 0,18 В. Величина окислительно–восстановительного потенциала ЭТС митохондрий составляет 1,14 В, что эквивалентно 220 Кдж. В таблице 1 приведены Значения ОВП окислительно-восстановительных пар (основных молекулярных переносчиков), локализованных в дыхательной цепи.

Таблица 1.

Значения окислительно-восстановительных потенциалов молекулярных переносчиков электронов в дыхательной цепи митохондрий

Синтез АТФ на мембранах митохондрий . Фосфорилирование АДФ осуществляется встроенным в внутренную мембрану митохондрий ферментом - Н + -зависимой АТФ-синтазой. По современным представлениям, мембранная АТФ-синтаза является миниатюрным молекулярным мотором. Принцип его работы подобен работе электродвигателя, т.е. вращение ротора происходит вследствие прохождения электри­ческого тока через его обмотку. В отличие от искусственных электромоторов, в АТФ-синтазе вращение ротора осуществляется не потоком электронов, а потоком протонов. До недавнего времени считалось, что самыми миниатюрными «живыми» моторами являются флагеллярные моторы, которые генерируют движение бактерий. Однако, оказалось, что самым маленьким из всех известных в природе вращающихся моторов явля­ется протонная АТФ-синтаза. Такие молекулы обнаружены в митохондриях, хлоропластах, на плазматических мембранах бактерий. Исследования последних лет показали, что АТФ-азы в энергопреобразующих мембранах клеток растений, животных и бактерий по струтуре и функциям не имеют существенных различий.

На рис. 4 показана структура ферментного комплекса, полученная на основе данных рентгеноструктурного анализа АТФ-азы из митохондрий сердца бы­ка. Как видно, молекула этой АТФ-азы состоит из двух функциональных частей: встроенного в мембрану протонного канала F 0 и каталитической части F 1 , выступающей в матрикс митохондрии. Этот ансамбль имеет вид слегка приплюс­нутого шара высотой 8 нм и шириной 10 нм. В центре шара находится субъединица g, которая образована двумя протяженными полипептидными цепями и напоминает слегка деформированный изогнутый стержень длиной около 9 нм. Нижняя часть субъе­диницы g выступает из шара на 3 нм в сторону мем­бранного комплекса F 0 . Субъединица d расположе­на на внешней стороне F 1 . Внутри ансамбля (ab) 3 находится минорная субъединица e , которая связа­на с субъединицей g. Обе эти субъединицы (g и e) подвижны - они входят в состав своеобразного ро­тора, который вращается внутри неподвижного комплекса (ab) 3 .

Мембранный комплекс F 0 служит основанием, которое удерживает АТФ-синтазу в мембране.Этот комплекс включает в себя протонный канал, по которому ионы водорода переносятся через АТРсинта­зу Пространственная структура F 0 расшифрована не столь детально, как строение водорастворимого ком­плекса f 1. Ориентированный в водную фазу (в матрикс митохондрии) комплекс F 1 состоит из девяти субъединиц пяти типов полипептидов (Зa, Зb, g, d, e). Полипептидные цепи субъединиц a и b уложены в похожие по строению белковые глобулы, которые все вместе образуют гексамер -ансамбль, состоящий из шести субъединиц.

Рис. 4. Схематичное изображение АТФ-синтазы в мембранах митохондрий

А. Схема расположения основных белковых субьединиц, образующих комплексы F 0 и F 1

Б. АТФ-синтаза - внутриклеточный электродвигатель: Ротор – g, e - субьединицы (обозначены красным цветом); статор - Зa, Зb, d, c, a, b - субьединицы (обозначены синим цветом).

Представления об АТФ-синтазе, как молекуляр­ной машине, работа которой связана с ее вращени­ем, хорошо согласуются со структурными особенно­стями комплекса. В структуре АТФ-синтазы можно выделить две группы белковых субъединиц: одна из них образует статор мотора, который неподвижен относительно мембраны, а другая соответствует подвижному ро­тору, вращающемуся внутри статора. Статор включает в себя шарообразный гексамер, состоящий из трех субъединиц a и трех субъединиц b, находящуюся на его поверхности субъединицу d, а также субъединицы a и b мембран­ного комплекса F 0 (рис 4,Б). В этой макромолекулярной кон­струкции субъединицы b выполняют роль своеоб­разного кронштейна, связывающего неподвижные субъединицы комплексов F 0 и F 1 . К находящейся в мембране субъединице а примыкает гидрофобное кольцо, образованное субъединицами с мембран­ного комплекса F 0 .

Ротор состоит из субъединиц g и e комплекса F 1 . Субъединица g, расположенная внутри комплекса (ab) 3 , заметно выступает из него и соединяется с погруженным в мембрану кольцом из субъединиц с . Имеются все основания считать, что субъединица g, входящая в состав ротора, действительно вращается при работе фермента. Для того, чтобы провер­нуть ротор внутри статора, и тем самым заставить АТФ- синтазу сделать молекулу АТР, необходим внешний источник энергии. Как уже было сказано выше, когда АТФ-синтаза работает в режиме синтеза АТФ, движущей силой для ее работы явля­ется энергия протонов, переносимых через сопрягающую мембрану за счет протонного потен­циала. При работе АТФ-синтазы в режиме гидролиза АТФ источником энергии для вращения ротора служит энергия, запасенная в молекуле АТФ.

Наглядно показано, что гидролиз АТР комплексом F 1 , действительно сопровождается вращением субъ­единицы g относительно гексамера (ab) 3 . Об этом свидетельствуют работы американцев Капальди, Кросса и их сотрудников. Им удалось при­шить субъединицу g к субъединице b и тем самым блокировать возможное вращение субъединицы g внутри комплекса F 1 . В этом случае, фер­ментативная активность комплекса F 1 , (его способ­ность гидролизовать АТФ) при этом была полно­стью подавлена.

Самым впечатляющим доказательством того, что субъединица γ, действительно крутится в ходе работы фермента, стала замечательная работа, группой японских исследо­вателей Киношите, Йошиде и их соавторами. Они увидели враще­ние субъединицы γ, с помощью флуоресцентного микроскопа. Как можно разглядеть вращение рото­ра, диаметр которого составляет всего лишь 1 нм? Чтобы наблюдать за вращением этой субъединицы, к ее основанию, выступающему из комплекса F 1 , японские ученые прикрепили специальный макромолекулярный маркер - фрагмент нити актина длиной около одного микрона, который, в свою очередь, был помечен флуоресцентным красителем. Остальную часть отделенной от мембраны молекулы f 1 обездвижили, пришив к субъединицам b специальные хвостики, с помощью которых F 1 прикрепили к не­подвижной подложке. Наблюдая с по­мощью микроскопа за изменением положения флуоресцирующей нити актина, жестко связанной субъединицей γ, удалось непосредственно увидеть ее вращение. Оказалось, что в ходе работы фермен­та, гидролизующего АТФ, актиновый хвост вращается против часовой стрелки. Эти эксперименты продемон­стрировали, в буквальном смысле этого слова, вращение самого маленького из всех известных к настоящему времени природных моторов. Вместе с этим в науке окончательно утвердилось новое понятие - враща­тельный катализ (англ. - rotary catalysis).

Замечательным качеством вращающегося мото­ра АТФ-синтазы является его исключительно высо­кий коэффициент полезного действия. По­казано, что для поворота актинового хвоста на 120° затрачивается около 35 кДж энергии, т.е. приблизительно равная энергии образования АТФ из АДФ. Это означает, что КПД работы мотора близок к 100 %.

В табл. 2 приведены сравнительные характерис­тики различных молекулярных моторов, встречаю­щихся в живой клетке. Видно, что АТФ-синтаза явля­ется своего рода рекордсменом среди молекулярных моторов своей "весовой категории". По эффектив­ности работы и развиваемой ею силе она сущест­венно превосходит все известные в природе моле­кулярные моторы. Так, например, максимальная сила, создаваемая при работе одного миозинового мостика актомиозинового комплекса мышечных волокон, составляет F макс = 3-5 пН. Вращательный момент, создаваемый молекулой f 1 за счет гидролиза АТФ, достигает величины М = 40 пН нм. Если учесть, что радиус вращающей­ся субъединицы составляет r = 1 нм, то сила F макс разви­ваемая молекулой f 1 , будет равна 40 пН. Оказывается, что молекула F 1 , приблизительно в 10 раз сильнее актомиозинового комплекса - моле­кулярной машины, специализирующейся в клетках и различных органах на "профессиональном" вы­полнении механической работы. Таким образом, за сотни миллионов лет до того, как появился человек, который изобрел колесо, преимущества вращатель­ного характера движения были успешно реализова­ны природой на молекулярном уровне.

Световая фаза

Схема 5

Превращение веществ и энергии в процессе диссимиляции включает в себя следующие этапы:

I этап - подготовительный: сложные органические вещества под действием пищеварительных ферментов распадаются на простые, при этом выделяется только тепловая энергия.
Белки ® аминокислоты

Жиры ® глицерин и жирные кислоты

Крахмал ® глюкоза

II этап - гликолиз (бескислородный): осуществляется в гиало­плазме, с мембранами не связан; в нем участвуют ферменты; расщеплению подвергается глюкоза:

III этап - кислородный: осуществляется в митохондриях, свя­зан с матриксом митохондрий и внутренней мембраной, в нем участвуют ферменты, расщеплению подвергается пировино­градная кислота

СО 2 (диоксид углерода) выделяется из митохондрий в окружаю­щую среду. Атом водорода включается в цепь реакций, конеч­ный результат которых - синтез АТФ. Эти реакций идут в та­кой последовательности:

1. Атом водорода Н,с помощью ферментов-переносчиков посту­пает во внутреннюю мембрану митохондрии, образующую кристы, где он окисляется:

2. Протон Н + (катион водорода) выносится переносчиками на наружную поверхность мембраны крист. Для протонов эта мем­брана, так же как и наружная мембрана митохондрии, непрони­цаема, поэтому они накапливаются в межмембранном пространстве, образуя протонный резервуар.

3. Электроны водорода переносятся на внутреннюю поверх­ность мембраны крист и тут же присоединяются к кислороду с помощью фермента оксидазы, образуя отрицательно заряжен­ный активный кислород (анион):

4. Катионы и анионы по обе стороны мембраны создают разноименно заряженное электрическое поле, и когда разность потен­циалов достигнет 200 мВ, начинает действовать протонный канал. Он возникает в молекулах ферментов АТФ-синтетаз, которые встроены во внутреннюю мембрану, образующую кристы.

5. Через протонный канал протоны Н + устремляются внутрь митохондрии, создавая высокий уровень энергии, большая часть которой идет на синтез АТФ из АДФ и Ф (), а сами протоны Н + взаимодействуют с активным кислородом, образуя во­ду и молекулярный О 2:

Таким образом, О 2 , поступающий в митохондрии в процессе ды­хания организма, необходим для присоединения протонов Н + . При его отсутствии весь процесс в митохондриях прекращается, так как электронно-транспортная цепь перестает функциониро­вать. Общая реакция III этапа:

В результате расщепления одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ: на II этапе - 2 АТФ и на III этапе - 36 АТФ. Об­разовавшиеся молекулы АТФ выходят за пределы митохондрии и участвуют во всех процессах клетки, где необходима энергия. Расщепляясь, АТФ отдает энергию (одна фосфатная связь заключает 46 кДж) и в виде АДФ и Ф (фосфата) возвращается в митохондрии.

ripe_berry ) схематично показывается, как работает АТФ-синтаза, сложное молекулярное электромеханическое устройство, приводимое в действие разностью электрохимического потенциала по разные стороны мембраны митохондрии и использующее эту энергию для синтеза молекулы аденозин-5’-трифосфата (АТФ). Реакция синтеза АТФ из аденозиндифосдата (АДФ) и иона фосфата эндотермическая, то есть забирает энергию из внешнего источника.

АДФ + PO 4 3- + Е ⇔ АТФ

АТФ используется клетками как источник энергии во многих клеточных процессах. Та же самая реакция может идти и в обратном направлении, когда АТФ расщепляется на специальном белке-катализаторе обратно на АДФ и фосфат с выделением энергии.

АТФ-синтаза состоит из двух механизмов. Первый, F0, это электромотор, находящийся в клеточной мембране и превращающий энергию, запасенную в разности потенциалов по разные стороны клеточной мембраны. Липидная мембрана служит изолятором в этой электрохимической «батарейке»: через нее ионы не проходят. Разность потенциалов создается другими сложными механизмами в конечном счете из «сжигания» сахара в кислороде. Ион водорода H + втягивается во «впускной коллектор» и присоединяется к белковой дольке ротора. Ротор поворачивается за счет электростатических сил, а долька, достигшая «выхлопного коллектора» мотора, освобождается от иона каталитическим белком, и этот ион проваливается внутрь клетки, опять же за счет электростатических сил, стремящихся выровнять потенциал по обе стороны мембраны. Таким образом, электроэнергия сначала превращается в механическую энергию вращения молекулярного вала, присоединенного к ротору и уходящего вглубь клетки, к механизму синтеза, F1.

Механико-химический реактор F1 состоит из трех белковых долек, каждая из которых состоит из двух белковых молекул (их называют α-F1 и β-F1, а вал сделан из одной молекулы, обозначаемой γ-F1). Каждая долька может принимать две устойчивые пространственные конфигурации за счет взаимного межатомного притяжения - как обычный настенный выключатель оказывается в двух устойчивых положениях, хотя промежуточные положения неустойчивы. Одно из этих положений, однако, имеет более высокую энергию. Молекулы сдвигаются в конфигурацию с более высокой энергией за счет асимметрии вращающегося γ-вала, как будто бы «кулачком» на нем.

Когда к αβ-комплексу присоединяется АДФ и ион фосфата, равновесие нарушается, и молекула, как пружинка с запасенной энергией, перепрыгивает в состояние с меньшей энергией, а запасенная энергия тратится на сближение АДФ и фосфатного иона, в результате чего те соединяются в молекулу АТФ, в конечном счете уносящую этот запас энергии.

Вращение механизма можно увидеть в микроскоп, если присоединить к ротору в F0 специально изготовленную длинную светящуюся (флюоресцирующую) молекулу-стержень. В самом конце фильма можно увидеть реконструкцию этого потрясающего опыта Масасуке Ёсиды и врезку с данными, показывающими вращение ротора.

Интересно, что на нижнем конце ротора имеется еще один белок, δ-F1, который тоже умеет изменять конфигурацию в присутствии АДФ, исходного реагента для реакции. Когда АДФ вокруг реактора оказывается мало, этот белок меняет форму и заклинивает ротор, чтобы не расходовать электрохимическую энергию вхолостую, поскольку продвижение ионов H + через остановленный ротор невозможно. Да, и об экономии клеточной электроэнергии природа тоже «подумала»!

Больше информации о работе АТФ-синазы можно найти в