Атф мышц

Как образуется АТФ в организме?

Синтез аденозинтрифосфорной кислоты идёт постоянно, т. к. энергия организму для нормальной жизнедеятельности нужна всегда. В каждый конкретный момент содержится совсем немного этого вещества — примерно 250 граммов, которые являются «неприкосновенным запасом» на «чёрный день». Во время болезни идёт интенсивный синтез этой кислоты, потому что требуется много энергии для работы иммунной и выделительной систем, а также системы терморегуляции организма, что необходимо для эффективной борьбы с начавшимся недугом.

В каких клетках АТФ больше всего? Это клетки мышечной и нервной тканей, поскольку в них наиболее интенсивно идут процессы энергообмена. И это очевидно, ведь мышцы участвуют в движении, требующем сокращения мышечных волокон, а нейроны передают электрические импульсы, без которых невозможна работа всех систем организма

Поэтому так важно для клетки поддерживать неизменный и высокий уровень аденозинтрифосфата

Каким же образом в организме могут образовываться молекулы аденозинтрифосфата? Они образуются путём так называемого фосфорилирования АДФ (аденозиндифосфата). Эта химическая реакция выглядит следующим образом:

АДФ + фосфорная кислота + энергия→АТФ + вода.

Фосфорилирование же АДФ происходит при участии таких катализаторов, как ферменты и свет, и осуществляется одним из трёх способов:

• фотофосфорилирование (фотосинтез у растений) ,
• окислительное фосфорилирование АДФ Н-зависимой АТФ-синтáзой, в результате которого основная масса аденозинтрифосфата образуется на мембранах митохондрий клеток (связано с дыханием клетки),
• субстратное фосфорилирование в цитоплазме клетки в процессе гликолиза или путём переноса фосфатной группы с других макроэргических соединений, не требующее участия мембранных ферментов.

Как окислительное, так и субстратное фосфорилирование использует энергию веществ, окисляющихся в процессе такого синтеза.

история

Выяснение функции и механизма АТФ-синтазы в основном было сделано исследователями, занимавшимися митохондриями. Хотя этот фермент также играет важную роль в фотосинтезе растений и аэробных бактерий, АТФ-синтаза как компонент клеточного дыхания и дыхательной цепи человека стала предметом внимания биохимии .

Комплекс V

Устаревшая модель дыхательной цепи

В начале 1960-х годов биохимия могла оглянуться на огромные успехи. Энергетический метаболизм почти прояснился за пару десятилетий. Кислоты цикла лимонной было известно, как это было физиологическая роль NADH в качестве водорода носителя и роль АТФ в качестве поставщика энергии.

Было известно, что водород НАДН окисляется кислородом до воды. И было ясно, что этот процесс производит большую часть АТФ, необходимого в клетке. Кроме того, было известно, что окисление НАДН происходит ступенчато. Ферменты и коферменты были обнаружены в митохондриальных мембранах, которые образуют цепь переноса электронов от НАДН к кислороду.

Выяснение этой так называемой дыхательной цепи становилось все труднее. Ферменты дыхательной цепи сложно выделить и исследовать, поскольку они являются мембранными белками . Кроме того, они образуют большие ферментные комплексы. Четыре из этих комплексов были (и продолжают) выяснены. Комплекс V, образующий АТФ, оставался в неведении даже после того, как его водорастворимый компонент был выделен в 1961 году. Выяснение дыхательной цепи, а вместе с ней и биохимии в целом, имело еще один «недостаток».

Из исследований разложения сахара ( гликолиза ) уже был известен механизм ( фосфорилирование цепи субстрата ), в котором АДФ и фосфат превращаются в АТФ. Был сделан вывод, что дыхательная цепь должна каким-то образом вести себя подобным образом, и считалось, что это близко к окончательной очистке. Это было «только» не хватало

• точное соединение комплексов I — IV с синтезом АТФ, т.е. сочетание потребления О ₂ и образования АТФ.
• объяснение того, почему комплекс V обнаружил расщепленный АТФ, но не произвел его после выделения.
• «богатый энергией промежуточный продукт» дыхательной цепи в качестве субстрата для АТФ-синтазы.

Единственное, чего не хватало, так это всей связи между окислением НАДН и производством АТФ. Но у одного уже было название метаболического пути, которое действует и сегодня: окислительное фосфорилирование .

В этой ситуации Питер Д. Митчелл в 1960 году выдвинул гипотезу, против которой долго возражали. Потому что Митчелл постулировал механизм, который в то время был «невообразимым» для биохимии.

Гипотеза Митчелла

Принцип дыхательной цепи по хемиосмотической теории

Сам Митчелл сосредоточился на дыхательной цепи с начала 1940-х годов, но был также знаком с результатами исследований процессов переноса на мембранах. Его исследовательская группа сосредоточилась на убихиноне, переносящем электроны ( цикл Q ), при исследовании дыхательной цепи . Результаты не соответствовали идее о «богатом энергией промежуточном продукте» в дыхательной цепи как двигателе АТФ-синтазы. Вместо этого Митчелл предположил, что фермент получает энергию от градиента pH .

Неприятие профессионального мира было подавляющим. Даже когда Митчелл получил на Нобелевскую премию (химия) за его хемиосмотическую теорию в 1978 году , хорошо известные биохимики все еще говорили пренебрежительно о «Mitchell гипотезы».

Выяснение механизма

Даже ученые, которые официально очень скептически относились к «гипотезе Митчелла», серьезно рассматривали хемиосмотическую теорию в своих лабораторных исследованиях. По мере накопления доказательств в пользу теории Митчелла, был также достигнут прогресс в экспериментальном использовании АТФ-синтазы. Их можно было изучать «в действии» на мембранных везикулах .

Пол Д. Бойер , изначально скептик «Митчелла», разъяснил молекулярный механизм АТФ-синтазы. Джону Э. Уокеру и его сотрудникам удалось кристаллизовать АТФ-синтазу и выяснить ее пространственную структуру. Оба они получили Нобелевскую премию по химии 1997 года. Они разделили приз с Йенсом С. Скоу , который открыл первый протонный насос еще в 1957 году и тем самым заложил основу для «Гипотезы Митчелла».

Обмен веществ и энергии[править | править код]

Пластический и энергетический обменыправить | править код

Питательные вещества — это любое вещество, пригодное для еды и питья живым организмам для пополнения запасов энергии и необходимых ингредиентов для нормального течения химических реакций обмена веществ: белков, жиров, углеводов, витаминов, минералов и микроэлементов.

Метаболизм — это совокупность всех химических реакций, происходящих в организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией. Выделяют две составные части метаболизма — катаболизм и анаболизм.

Катаболизм (энергетический обмен) — процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества (дифференциация) или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ.

Анаболизм (пластический обмен) — совокупность химических процессов, составляющих одну из сторон обмена веществ в организме, направленных на образование клеток и тканей. За счет анаболизма происходит рост, развитие и деление каждой клетки.

Обмен веществ между организмом и окружающей средой — необходимое условие существования живых существ, это один из основных признаков живого. Из внешней среды организм получает кислород, органические вещества, минеральные соли, воду. Во внешнюю среду отдаёт конечные продукты распада: углекислый газ, излишки воды, минеральных солей, мочевину, соли мочевой кислоты и некоторые другие вещества.

У человека в течение жизни почти все клетки организма сменяются несколько раз. Кровь за год полностью обновляется 3 раза, за сутки меняется 450 млрд эритроцитов, до 30 млрд лейкоцитов, 1/75 всех костных клеток скелета, до 50 % эпителиальных клеток желудка и кишечника.

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается ею в виде высокоэнергетических соединений, как правило, в виде АТФ. АТФ — нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями.

В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:

• АТФ+Н₂О -> АДФ+Н₃РО₄+Q1,
• АДФ+Н₂О->АМФ+Н₃РО₄+Q2,
• АМФ+Н₂О->аденин+рибоза+Н₃РО₄+Q3,

где АТФ-аденозинтрифосфорная кислота; АДФ-аденозиндифосфорная кислота; АМФ-аденонмонофосфорная кислота; Q1 = Q2 = 30,6 кДж.

Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования. Фосфорилирование — присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ+Ф->АТФ). В результате превращений эти вещества попадают в клетки. Здесь они расщепляются (глюкоза — до воды и углекислого газа). Высвобожденная энергия используется клетками для поддержания своей жизнедеятельности. Этот процесс называется энергетическим обменом. Пластический и энергетический обмены происходят одновременно и неразрывно связаны друг с другом, но не всегда являются уравновешенными. Чаще всего это связано с возрастом человека.

викторина

1. Какие организмы не имеют митохондрий?A. бактерииB. животныеC. растенияD. Грибы

Ответ на вопрос № 1

верно. Бактерии не имеют митохондрий, а вместо этого производят АТФ через молекулы АТФ-синтазы, которые находятся в их внутренних мембранах. Археи, не перечисленные выше, также не имеют митохондрий; археи и бактерии являются прокариотами и не имеют истинного ядра или других клеточных органелл.

2. Какой компонент не является частью процесса синтеза АТФ?A. Электронная транспортная цепьB. Протонный градиентC. ЖгутикиD. Ротор и стебель АТФ-синтазы

Ответ на вопрос № 2

С верно. Варианты A, B и D являются этапами синтеза АТФ. Жгутики – это похожие на руку придатки, которые есть у некоторых бактерий; они позволяют бактериям двигаться. Жгутики имеют двигатели H +, которые аналогичны F1-АТФазе, одному из компонентов АТФ-синтазы.

3. Какая часть АТФ-синтазы является двигателем?A. FOB. F1-АТФазыC. ОбеD. ни

Ответ на вопрос № 3

С верно. Обе части АТФ-синтазы, FO и F1-АТФаза, являются двигателями. FO – это двигатель, который питается от градиента протонов через мембрану, что происходит потому, что цепь переноса электронов высвобождает энергию. F1-АТФаза также является двигателем; это похоже на двигатели в жгутиках некоторых бактерий. Действие FO превращает F1-ATPase в генератор ATP.

Эволюция

Эволюция АТФ — синтазы , как полагают, был модульным , при которой два функционально независимых подразделения стали ассоциироваться и приобрел новые функциональные возможности . Эта ассоциация, по-видимому, возникла на раннем этапе эволюционной истории, потому что по существу одинаковая структура и активность ферментов АТФ-синтазы присутствуют во всех царствах жизни. Синтаза F-АТФ демонстрирует высокое функциональное и механистическое сходство с V-АТФазой . Однако, в то время как F-АТФ-синтаза генерирует АТФ, используя протонный градиент, V-АТФаза генерирует протонный градиент за счет АТФ, генерируя значения pH всего до 1.

Область F ₁ также демонстрирует значительное сходство с гексамерными ДНК-геликазами (особенно с фактором Rho ), а вся область фермента показывает некоторое сходство с H+Приведен T3SS или жгутик моторных комплексов. Гексамер α ₃ β ₃ области F ₁ показывает значительное структурное сходство с гексамерными ДНК-геликазами; оба образуют кольцо с 3-кратной вращательной симметрией с центральной порой. У обоих есть роли, зависящие от относительного вращения макромолекулы в поре; ДНК-геликазы используют спиралевидную форму ДНК, чтобы управлять своим движением вдоль молекулы ДНК и обнаруживать сверхспирали, тогда как α ₃ β ₃ гексамер использует конформационные изменения через вращение субъединицы γ для запуска ферментативной реакции.

H+двигатель частицы F _O демонстрирует большое функциональное сходство с двигателем H+двигатели, приводящие в движение жгутики. Оба имеют кольцо из множества маленьких альфа-спиральных белков, которые вращаются относительно соседних стационарных белков, используя H+градиент потенциала как источник энергии. Однако эта связь незначительна, поскольку общая структура жгутиковых моторов намного сложнее, чем у частицы F _O, а кольцо с примерно 30 вращающимися белками намного больше, чем спиральные белки из 10, 11 или 14 в F _O. сложный. Однако более поздние структурные данные показывают, что кольцо и стебель структурно подобны частице F ₁ .

Конформационные изменения АТФ-синтазы в процессе синтеза

Теория модульной эволюции происхождения АТФ-синтазы предполагает, что две субъединицы с независимой функцией, ДНК-геликаза с АТФазной активностью и H+motor, были способны связываться, и вращение мотора приводило в действие АТФазную активность геликазы в обратном направлении. Затем этот комплекс приобрел большую эффективность и в конечном итоге превратился в современные сложные АТФ-синтазы. В качестве альтернативы ДНК-геликаза / H+двигательный комплекс, возможно, имел H+насосная активность с АТФазной активностью геликазы, управляющей H+мотор в обратном направлении. Это могло развиться, чтобы осуществить обратную реакцию и действовать как АТФ-синтаза.

Структура АТФ-синтазы

Синтез АТФ состоит из двух частей. Часть, встроенная в мембрану митохондрий (у эукариот), тилакоидную мембрану хлоропласт (только у растений) или плазматическая мембрана (у прокариот) называется ФО. Это двигатель, который питается от ионов H +, протекающих через мембрану. Часть в митохондриях, строма хлоропласта, или внутри бактериального или археального клетка называется F1-ATPase. Это еще один двигатель, который используется для генерации АТФ. Считается, что эти две части были двумя отдельными структурами с двумя различными функциями, которые в конечном итоге превратились в АТФ-синтазу. Область FO похожа на ДНК-геликазы (ферменты, которые распаковывают ДНК, чтобы ее можно было использовать в качестве матрицы для размножения), в то время как область F1-АТФазы похожа на моторы H +, которые позволяют жгутикам, подобным плечевым придаткам, у некоторых бактерий, двигаться. F1-АТФаза имеет центральный стебель и ротор, который при включении преобразует АДФ и Пи в АТФ.

Это рендеринг структуры АТФ-синтазы. FO показан синим и фиолетовым, а F1-АТФаза показана красным.

Положение по другим ферментам

Большое количество ферментов используют АТФ, который доставляется АТФ-синтазой, в качестве вспомогательного . Следовательно, АТФ-синтаза играет ключевую роль среди ферментов.

АТФ-синтаза отличается от других АТФаз по нескольким причинам:

• Это основной источник АТФ. Благодаря своей функции продуцента АТФ, АТФ-синтаза отличается от других (постоянно) потребляющих АТФ АТФаз, например, как электрический генератор от электродвигателя.
• Он состоит из двух субъединиц F _o и F ₁ . Их функция требует, чтобы оба устройства были расположены в определенном порядке. Поэтому АТФ-синтазу часто называют АТФазой F-типа . Напротив, АТФазы, которые расщепляют АТФ, являются АТФазами V-типа.
• Как и все АТФазы, АТФ-синтаза в принципе может также функционировать как протонный насос и потреблять АТФ в процессе. Однако сомнительно, что эта «обратная» реакция in vivo в митохондриях играет главную роль в АТФ-синтазе. «Коэффициент трансляции» АТФ-синтазы отличается от АТФаз протонной помпы. Последний выбрасывает наружу примерно два протона на каждый израсходованный АТФ. С другой стороны, в случае АТФ-синтазы энергия молекулы АТФ будет распределена между тремя-четырьмя протонами. В качестве протонного насоса АТФ-синтаза не могла создать такой большой градиент pH .

Состав

АТФ-синтаза состоит из двух основных частей: одна полярная и встроена в неполярную мембрану, обозначенную F _O (для «фракции олигомицина  »), другая глобулярная и находится в контакте с митохондриальным матриксом или стромой (внутри хлоропласта), обозначенная F ₁ (для «Дроби 1»). F _O подвижен в плоскости мембраны и может вращаться вокруг оси, образованной некоторыми из субъединиц F ₁ , отсюда его квалификация «ротор». F _O включает переменное количество с мембранных субъединиц (от 10 до 15), несущих аспартатные аминокислоты (Asp), обладающие отрицательным зарядом, а также субъединицы γ и ε. В том , что субъединицы загружаются и с является неблагоприятным для вращения Р _O . Напротив, F ₁ квалифицируется как «статор» и включает три каталитических β-субъединицы, ответственных за синтез АТФ, три структурных α-субъединицы, а также субъединицы ε, γ и δ.

Митохондриальная АТФ-синтаза может объединяться в димеры или даже олигомеры, вызывая небольшую деформацию внутренней мембраны . Это явление может быть ответственным за образование и / или поддержание гребней .

Модель привязки

Механизм АТФ-синтазы. ADP и P_я (розовый) показан объединенным в АТФ (красный), в то время как вращающаяся субъединица γ (гамма), выделенная черным цветом, вызывает конформационные изменения.

Изображение АТФ-синтазы с использованием хемиосмотического протонного градиента для усиления синтеза АТФ через окислительного фосфорилирования.

В 1960-1970-х гг. Пол Бойер, а UCLA Профессор разработал теорию механизма изменения связывания или триггера, которая постулировала, что синтез АТФ зависит от конформационного изменения АТФ-синтазы, генерируемого вращением субъединицы гамма. Исследовательская группа Джон Э. Уокер, затем на MRC Лаборатория молекулярной биологии в Кембридж, кристаллизовал F₁ каталитический домен АТФ-синтазы. Эта структура, в то время являвшаяся самой крупной из известных асимметричных белковых структур, показывала, что модель роторного катализа Бойера, по сути, верна. Чтобы прояснить это, Бойер и Уокер разделили половину 1997 года. Нобелевская премия по химии.

Кристаллическая структура F₁ показал чередование альфа и бета подразделения (По 3 каждого), расположенные как сегменты апельсина вокруг вращающейся асимметричной гамма-субъединицы. В соответствии с современной моделью синтеза АТФ (известной как чередующаяся каталитическая модель), трансмембранный потенциал, создаваемый протонными катионами (H +), поставляемыми цепью переноса электронов, перемещает катионы протонов (H +) из межмембранного пространства через мембрану через мембрану. F_О область АТФ-синтазы. Часть F_О (кольцо с-субъединицы) вращается когда протоны проходят через мембрану. В c-кольцо плотно прикреплен к асимметричной центральной ножке (состоящей в основном из гамма-субъединицы), заставляя ее вращаться внутри альфа₃бета₃ выключенный₁ заставляя 3 каталитических сайта связывания нуклеотидов пройти через серию конформационных изменений, которые приводят к синтезу АТФ. Майор F₁ субъединицы не могут вращаться вместе с центральным стержневым ротором за счет периферийного стержня, который присоединяется к альфа₃бета₃ к невращающейся части F_О. Структура интактной АТФ-синтазы в настоящее время известна с низким разрешением из электронная крио-микроскопия (крио-ЭМ) исследования комплекса. Крио-ЭМ модель АТФ-синтазы предполагает, что периферический стержень представляет собой гибкую структуру, которая обвивает комплекс, когда он присоединяется к F₁ к F_О. При правильных условиях ферментативная реакция также может протекать в обратном направлении, при этом происходит гидролиз АТФ. протонная накачка через мембрану.

Механизм изменения связывания включает в себя циклическое переключение активного сайта субъединицы β между тремя состояниями. В «рыхлом» состоянии АДФ и фосфат попадают в активный центр; на соседней диаграмме это показано розовым цветом. Затем фермент претерпевает изменение формы и заставляет эти молекулы вместе, в результате чего активный центр находится в «плотном» состоянии (показано красным), связывая вновь образованную молекулу АТФ с очень высокой близость. Наконец, активный сайт возвращается в открытое состояние (оранжевый), высвобождая АТФ и связывая больше АДФ и фосфата, готовый к следующему циклу производства АТФ.

структура

АТФ, как следует из его названия, является нуклеотидом с тремя фосфатами. Его особая структура, особенно две пирофосфатные связи, делают его энергетически богатым соединением. Он состоит из следующих элементов:

— Азотистое основание, аденин. Азотистые основания представляют собой циклические соединения, которые содержат в своей структуре один или несколько атомов азота. Мы также находим их в качестве компонентов в нуклеиновых кислотах, ДНК и РНК.

— Рибоза находится в центре молекулы. Это сахар пентозного типа, поскольку в нем пять атомов углерода. Его химическая формула C₅H₁₀О₅. Углерод 1 рибозы присоединен к адениновому кольцу.

— Три фосфатных радикала. Последние два являются «звеньями высокой энергии» и представлены в графических структурах символом virgulilla: ~. Фосфатная группа является одной из наиболее важных в биологических системах. Три группы называются альфа, бета и гамма, от ближайшего к дальнему.

Эта связь очень лабильна, поэтому она разделяется быстро, легко и спонтанно, когда этого требуют физиологические условия организма. Это происходит потому, что отрицательные заряды трех фосфатных групп пытаются постоянно отходить друг от друга..

Функция АТФ-синтазы

Функция АТФ-синтазы заключается в продуцировании АТФ. АТФ необходим для питания всех клеточных процессов, поэтому он постоянно используется клетками и постоянно нуждается в производстве. Каждая АТФ-синтаза может производить около 100 молекул АТФ каждую секунду. Эукариоты, такие как растения, животные и грибы, у органелл называется митохондрии которые в основном функционируют как производители АТФ. Растения также имеют хлоропласты, которые содержат АТФ-синтазу и могут производить АТФ из солнечного света и углекислого газа. бактерии и археи, из которых состоят прокариоты, не имеют митохондрий, но продуцируют АТФ посредством аналогичных процессов клеточного дыхания в их плазматическая мембрана, Во всех формах жизни АТФ-синтаза имеет в основном одинаковую структуру и функцию. Следовательно, считается, что он эволюционировал на ранних этапах эволюции жизни и был бы найден у последнего общего предка всей жизни на Земле.

Физиологическая роль

Как и другие ферменты, активность F ₁ F _O АТФ-синтазы обратима. Достаточно большие количества АТФ заставляют его создавать трансмембранный протонный градиент , который используется для ферментации бактерий, у которых нет цепи переноса электронов, а, скорее, гидролизуют АТФ для создания протонного градиента, который они используют для управления жгутиками и транспорта питательные вещества в клетку.

При дыхании бактерий в физиологических условиях АТФ-синтаза, как правило, работает в противоположном направлении, создавая АТФ, используя протонную движущую силу, создаваемую цепью переноса электронов в качестве источника энергии. Общий процесс создания энергии таким образом называется окислительным фосфорилированием . Тот же процесс происходит в митохондриях , где АТФ-синтаза расположена во внутренней митохондриальной мембране, а F ₁ -часть проецируется в митохондриальный матрикс . Потребление АТФ с помощью АТФ-синтазы закачивает катионы протонов в матрицу.

Физиологическая роль

Как и другие ферменты, активность F₁F_О АТФ-синтаза обратима. Достаточно большие количества АТФ заставляют его создавать трансмембранный протон градиент, это используется для ферментации бактерий, у которых нет цепи переноса электронов, а скорее гидролизуют АТФ, чтобы создать градиент протонов, который они используют для управления жгутики и транспортировка питательных веществ в клетку.

В дыхании бактерии в физиологических условиях АТФ-синтаза, как правило, работает в противоположном направлении, создавая АТФ при использовании движущая сила протона созданный электронная транспортная цепь как источник энергии. Общий процесс создания энергии таким образом называется окислительного фосфорилирования.Такой же процесс происходит в митохондрии, где АТФ-синтаза расположена во внутренней митохондриальной мембране, а F₁-разбить проекты на митохондриальный матрикс. Потребление АТФ АТФ-синтазой закачивает катионы протонов в матрицу.

гидролиз

Гидролиз АТФ — это реакция, которая включает распад молекулы в присутствии воды. Реакция представляется следующим образом:

АТФ + Вода ⇋ АДФ + ПЯ + энергия. Где, термин PЯ оно относится к группе неорганических фосфатов, а ADP представляет собой аденозиндифосфат

Обратите внимание, что реакция обратима

гидролиз АТФ это явление, которое включает высвобождение огромной энергии суммы. Разрывная любые ссылки пирофосфаты результаты в выпуске 7 ккал на моль — в частности 7.3 АТФ в АДФ и 8.2 для получения аденозин монофосфат (АМФ) из АТФ. Это соответствует 12000 калорий на моль АТФ.

Почему происходит это высвобождение энергии??

Поскольку продукты гидролиза намного более стабильны, чем исходное соединение, то есть АТФ.

Необходимо отметить, что только гидролиз, который происходит на пирофосфатных связях с образованием АДФ или АМФ, приводит к выработке энергии в важных количествах..

Гидролиз других связей в молекуле не обеспечивает столько энергии, за исключением гидролиза неорганического пирофосфата, который имеет большое количество энергии.

Выделение энергии из этих реакций используется для проведения метаболических реакций внутри клетки, поскольку многие из этих процессов требуют энергии для функционирования, как на начальных этапах путей деградации, так и в биосинтезе соединений..

Например, при метаболизме глюкозы начальные стадии включают фосфорилирование молекулы. На следующих шагах генерируется новый ATP, чтобы получить положительный чистый доход.

С энергетической точки зрения, существуют другие молекулы, у которых высвобождение энергии больше, чем у АТФ, включая 1,3-бифосфоглицерат, карбамилфосфат, креатининфосфат и фосфоенолпируват..

Модель привязки

Механизм АТФ-синтазы. Показанные АДФ и P _i (розовый) объединены в АТФ (красный), в то время как вращающаяся субъединица γ (гамма), выделенная черным цветом, вызывает конформационные изменения.

Изображение АТФ-синтазы с использованием хемиосмотического протонного градиента для усиления синтеза АТФ посредством окислительного фосфорилирования .

В 1960–1970-х годах Пол Бойер , профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе , разработал теорию механизма изменения связывания, или триггера, которая постулировала, что синтез АТФ зависит от конформационного изменения АТФ-синтазы, генерируемого вращением гамма-субъединицы. Исследовательская группа Джона Э. Уокера , работавшего тогда в лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже , кристаллизовала каталитический домен F ₁ АТФ-синтазы. Эта структура, в то время являвшаяся самой крупной из известных асимметричных белковых структур, показывала, что модель роторного катализа Бойера, по сути, верна. За разъяснение этого Бойер и Уокер разделили половину Нобелевской премии по химии 1997 года .

Кристаллическая структура F ₁ показывает чередующиеся альфа- и бета- субъединицы (по 3 каждой), расположенные как сегменты апельсина вокруг вращающейся асимметричной гамма-субъединицы. Согласно современной модели синтеза АТФ (известной как чередующаяся каталитическая модель), трансмембранный потенциал, создаваемый протонными катионами (H +), поставляемыми цепью переноса электронов, перемещает катионы протонов (H +) из межмембранного пространства через мембрану через мембрану. F _O область АТФ-синтазы. Часть F _O (кольцо с-субъединиц ) вращается, когда протоны проходят через мембрану. С-кольцо плотно прикреплено к асимметричной центральной ножке (состоящей в основном из гаммы — субъединицы), заставляя его вращаться внутри альфа — ₃ беты ₃ из F ₁ вызывает 3 каталитического нуклеотид сайтов связывания , чтобы пройти через ряд конформационных изменений , которые приводят к синтезу АТФ. Основные F ₁ субъединицы предохранены от вращения в полном согласии с центральной ножкой ротором периферийного стеблом , который присоединяется к альфа — ₃ беты ₃ к невращающейся части F _O . Структура интактной АТФ-синтазы в настоящее время известна с низким разрешением из исследований комплекса с помощью электронной криомикроскопии (крио-ЭМ). Крио-ЭМ модель АТФ — синтазы показывает , что периферийная Стебель представляет собой гибкую структуру , которая оборачивается вокруг комплекса , как он присоединяется к F ₁ до F _O . При правильных условиях ферментативная реакция также может протекать в обратном направлении, когда гидролиз АТФ запускает перекачку протонов через мембрану.

Механизм изменения связывания включает в себя циклическое переключение активного сайта субъединицы β между тремя состояниями. В «рыхлом» состоянии АДФ и фосфат попадают в активный центр; на соседней диаграмме это показано розовым цветом. Затем фермент претерпевает изменение формы и объединяет эти молекулы, при этом активный центр в результирующем «плотном» состоянии (показано красным) связывает вновь образованную молекулу АТФ с очень высоким сродством . Наконец, активный сайт возвращается в открытое состояние (оранжевый), высвобождая АТФ и связывая больше АДФ и фосфата, и готов к следующему циклу производства АТФ.

Контроль окислительного фосфорилирования

Скорость использования АТФ в клетках контролирует их синтез, и, в свою очередь, благодаря связыванию окислительного фосфорилирования с цепью транспорта электронов, она также регулирует скорость электронного транспорта в целом..

Окислительное фосфорилирование строго контролируется, что гарантирует, что АТФ не генерируется быстрее, чем потребляется. Существуют определенные шаги в процессе транспорта электронов и сопряженного фосфорилирования, которые регулируют скорость производства энергии..

Скоординированный контроль производства АТФ

Основными путями производства энергии (клеточный АТФ) являются гликолиз, цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование. Скоординированный контроль этих трех процессов регулирует синтез АТФ.

Управление фосфорилированием по соотношению массового действия АТФ зависит от точного вклада электронов в транспортную цепь. Это в свою очередь зависит от отношений / который сохраняется повышенным под действием гликолиза и цикла лимонной кислоты.

Этот скоординированный контроль осуществляется путем регулирования контрольных точек гликолиза (PFK ингибируется цитратом) и цикла лимонной кислоты (пируватдегидрогеназа, цитратная лента, изоцитратдегидрогеназа и α-кетоглутаратдегидрогеназа).

Управление акцептором

Комплекс IV (цитохром с оксидаза) представляет собой фермент, регулируемый одним из его субстратов, что означает, что его активность контролируется восстановленным цитохромом с (с2+), который, в свою очередь, находится в равновесии с отношением концентраций между / и массовое отношение действия / + [P_Я].

Чем выше отношение / +] и опустите / + [P_Я], чем больше будет концентрации цитохрома и активность комплекса IV будет выше. Это интерпретируется, например, если мы сравним организмы с различной активностью отдыха и высокой активностью.

У человека с высокой физической активностью потребление АТФ и, следовательно, его гидролиз до АДФ + Р_Я будет очень высоким, вызывая разницу в соотношении массовых воздействий, что вызывает увеличение и, следовательно, увеличение синтеза АТФ. В состоянии покоя происходит обратная ситуация.

В конце концов, скорость окислительного фосфорилирования увеличивается с концентрацией АДФ в митохондриях. Эта концентрация зависит от ADP-ATP транслокаторов, ответственных за транспорт адениновых нуклеотидов и P_Я от цитозоля до митохондриального матрикса.

Отключающие агенты

На окислительное фосфорилирование влияют определенные химические агенты, которые позволяют электронному транспорту продолжаться без фосфорилирования ADP, отделяя производство и сохранение энергии.

Эти агенты стимулируют скорость потребления кислорода митохондриями в отсутствие АДФ, также вызывая увеличение гидролиза АТФ. Они действуют, устраняя посредника или нарушая энергетическое состояние цепи переноса электронов..

2,4-динитрофенол, слабая кислота, которая проходит через митохондриальные мембраны, отвечает за рассеивание градиента протонов, поскольку они связываются с ними на кислотной стороне и высвобождают их на основной стороне..

Это соединение использовалось в качестве «таблетки для похудения», поскольку было обнаружено, что оно вызывает увеличение дыхания, следовательно, увеличение скорости метаболизма и связанной с этим потери веса. Тем не менее, было показано, что его отрицательный эффект может даже привести к смерти.

Рассеяние протонного градиента производит тепло. Клетки жировой ткани коричневого цвета используют выделение, контролируемое гормонально, для выработки тепла. Спящие млекопитающие и новорожденные, лишенные волос, состоят из этой ткани, которая служит своего рода тепловым одеялом.

ингибиторы

Соединения или ингибирующие агенты предотвращают как потребление O₂ (электронный транспорт) как связанное окислительное фосфорилирование. Эти агенты предотвращают образование АТФ с помощью энергии, вырабатываемой в электронном транспорте. Таким образом, транспортная цепочка останавливается, когда это потребление энергии не доступно.

Антибиотик олигомицин действует как ингибитор фосфорилирования у многих бактерий, предотвращая стимуляцию АДФ к синтезу АТФ.

Существуют также ионофорные агенты, которые образуют жирорастворимые комплексы с такими катионами, как К+ и на+, и они проходят через митохондриальную мембрану с указанными катионами. Затем митохондрии используют энергию, вырабатываемую в электронном транспорте, для накачки катионов вместо синтеза АТФ.

Схема цикла Кребса

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

АТФ относят к мононуклеотидам. Она состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями.

В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:

АТФ + H2O → АДФ + H3PO4 + Q1,
АДФ + H2O → АМФ + H3PO4 + Q2,
АМФ + H2O → аденин + рибоза + H3PO4 + Q3,

где АТФ — аденозинтрифосфорная кислота; АДФ — аценозиндифосфорная кислота; АМФ — аденозинмонофосфорная кислота; Q1 = Q2 = 30,6 кДж; Q3 = 13,8 кДж.

Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования — присоединения остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ + Ф → АТФ).

Он происходит с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе. АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин).

Энергия, накопленная в молекулах АТФ, используется организмом в анаболических реакциях (реакциях биосинтеза).

Молекула АТФ служит универсальным хранителем и переносчиком энергии для всех живых существ.