ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ. АТФ-СИНТЕТАЗА
Окислительное фосфорилирование, осуществляющийся в живых клетках синтез молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной (АДФ) и фосфорной кислот за счёт энергии окисления молекул органических веществ (субстратов). В результате О. ф. в клетках накапливается АТФ — важнейшее макроэргическое соединение, расходуемое затем на обеспечение энергией различных процессов жизнедеятельности. Основные субстраты О. ф. — органические кислоты, образующиеся в цикле трикарбоновых кислот.
Энергия, образующаяся при прохождении потока электронов по дыхательной цепи, используется для сопряженного фосфорилирования ADP. Эти два процесса взаимозависимы: окисление не может протекать в отсутствии ADP. Соотношение окисления и фосфорилирования определяется коэффициентом P/O (количество моль фосфорилированного ADP на 1/2 моль кислорода) коэффициент Р/О называется коэффициентом окислительного фосфорилирования и зависит от точки вхождения восстановительных эквивалентов в цепь транспорта электронов. Например Р/О=3, для субстратов, окисляемых NAD - зависимой дегидрогеназой , так как в дыхательной цепи есть три участка, где перенос электронов сопряжен с синтезом АТР. Не все субстраты передают электроны и протоны на NAD, некоторые окисляются FAD - зависимыми дегидрогеназами, которые переносят протоны и электроны сразу на убихинон, минуя первый комплекс. В этом случае Р/О=2.
В сутки человек потребляет в среднем 27 моль кислорода. Основное его количество (примерно 25 моль) используется в митохондриях в дыхательной цепи. Следовательно, ежесуточно синтезируется 125 моль ATP или 62 кг (при расчете использовали коэффициент Р/О=2,5, то есть среднее значение коэффициента фосфорилирования). Масса всей АТР, содержащейся в организме, составляет примерно 20-30 г. Следовательно, можно сделать вывод, что каждая молекула АТР за сутки 2500 раз проходит процесс гидролиза и синтеза, что и характеризует интенсивность обмена АТР
Локализация
Фермент АТФ-синтетаза представляет собой встроенное во внутреннюю мембрану грибовидное тельце с каналом в центре. Он составляет около 15% всего белка внутренней митохондриальной мембраны.
Аденозинтрифосфатсинта́за— класс ферментов, синтезирующих аденозинтрифосфат (АТФ) из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганических фосфатов с затратами энергии. Эту энергию АТФ-синтаза часто получает от протонов, проходящих по электрохимическому градиенту, например из просвета хлоропласта в его строму, или же из межмембранного пространства в матрикс митохондрии. Реакция синтеза такова:
АДФ + Фн → АТФ + H2O
АТФ-синтазы очень важны для жизнедеятельности почти всех организмов, так как АТФ — основная внутриклеточная «энергетическая валюта».
Антибиотик олигомицин подавляет активность FO-компонента АТФ-синтазы.
Структура и номенклатура
Имеющаяся в митохондриях АТФ-синтаза F1FO очень хорошо исследована.
• компонент FO — трасмембранный домен,
• компонент F1 находится вне мембраны, в матриксе.
АТФ-синтазный комплекс FOF1 по форме напоминает плодовое тело гриба, у которого компонент F1 — это шляпка, ножка — это γ-субъединица компонента F1, а «корни» гриба — компонент FO, заякоренный в мембране. Номенклатура фермента имеет традиционное происхождение, поэтому довольно непоследовательна.
Обозначение компонента F1 является сокращением от «Fraction 1» (часть 1), а символом FO (в индексе записана буква O, а не ноль) обозначался участок связывания олигомицина.
Некоторые субъединицы фермента имеют также буквенные обозначения:
• Греческие: α, β, γ, δ, ε
• Латинские: a, b, c, d, e, f, g, h
OSCP — белок, чувствительный к олигомицину (от англ. the oligomycin sensitivity conferral protein), ATP5O
Компонент F1 достаточно велик (диаметр его составляет 9 нм), чтобы быть видимым в трансмиссионный электронный микроскоп при негативном окрашивании.
Частичками F1 усеяна внутренняя митохондриальная мембрана. Изначально считалось, что они содержат весь дыхательный аппарат митохондрии. Однако после долгих экспериментов группа Эфраима Рекера (впервые выделившая компонент F1 в 1961) показала, что эти частички связаны с АТФазной активностью, в том числе и в разделенных митохондриях, и в субмитохондриальных частицах, формирующихся при ультразвуковом воздействии на митохондрии. Множество дальнейших исследований в разных лабораториях подтвердили эту АТФазную активность.
Работа синтетазы
ATP-синтаза осуществляет «вращательный катализ», при котором поток протонов через Fo вызывает высвобождение ATP из сайтов связывающих ADP и Pi. 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.
АТФ-синтаза является ферментом, преобразующим разность концентраций протонов по разные стороны мембраны в энергию, запасённую в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ). Последняя используется практически всеми механизмами клетки в качестве универсального носителя энергии.
АТФ-синтетаза может действовать в обратном направлении - расщеплять АТФ и перекачивать протоны. Действие АТФ-синтетазы обратимо: онa способна использовать как энергию гидролиза АТФ для перекачивания протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, так и энергию потока протонов по электрохимическому градиенту для синтеза АТФ. Таким образом, АТФ-синтетаза - это обратимая сопрягающая система, которая осуществляет взаимопревращение энергии электрохимического протонного градиента и химических связей.
АТФ-синтетаза получила свое название в связи с тем, что в обычных условиях npoтоннoro градиента, поддерживаемого дыхательной цепью, синтезирует большую часть всего АТФ клетки. Число протонов, необходимое для синтеза одной молекулы АТФ, в точности не известно. При прохождении через АТФ-синтетазу протонов синтезируется одна молекула АТФ.
Как будет работать в данный момент АТФ-синтетаза - в направлении синтеза или гидролиза АТФ, - зависит от точного баланса между изменениями свободной энергии для прохождения трех протонов через мембрану в матрикc и для синтеза АТФ в матриксе.
Предположим, что в связи с реакциями, требующими затраты энергии, в цитозоле внезапно гидролизовалось большое количество АТФ, и это привело к падению отношения АТФ:AДФ в матриксе митохондрии. АТФ-синтетаза вновь переключится на синтез АТФ, пока не восстановится исходное отношение АТФ:AДФ. Если же протонодвижущая сила внезапно снизится и будет поддерживаться на постоянном уровне, то АТФ-синтетаза начнет расщеплять АТФ, и эта реакция будет продолжаться до тех пор, пока соотношение между концентрациями ATФ и AДФ не достигнет какого-то нового значения и так далее.
Если АТФ-синтетаза в норме не транспортирует Н+ из матрикса, то дыхательная цепь, находящаяся во внутренней митохондриальной мембране, при нормальных условиях переносит через эту мембрану протоны, создавая таким образом электрохимический протонный градиент, доставляющий энергию, для синтеза AТФ.
По мере накопления по обеим сторонам мембраны положительных и отрицательных частиц нарастает разность потенциалов (протонный потенциал). Так же, как в мембраны митохондрий, в мембраны гран встроены молекулы фермента, синтезирующего АТФ (АТФ-синтетаза). Внутри АТФ-синтетазы имеется канал, через который могут пройти протоны. При достижении критического уровня величины протонного потенциала происходит перенос протона через канал в молекуле АТФ-синтетазы, а освобождающаяся при этом энергия тратится на синтез АТФ. Далее АТФ используется на синтез углеводов.
Механизм изменения участка связывания
В 60-70 годах XX века Пол Бойер предположил, что синтез АТФ связан с изменениями конфигурации АТФ-синтазы, вызываемыми вращением γ-субъединицы, так называемый механизм изменения участка связывания («перевертыш», англ. flip-flop). Исследовательской группе под руководством Джона Э. Уокера, относившейся тогда к Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, удалось выделить АТФ-синтазный каталитический комплекс F1 в кристаллической форме. На тот момент это была самая крупная из известных науке асимметричная белковая структура. Ее исследования показали, что модель вращающегося катализа, предложенная Бойером, соответствует действительности. За это открытие Бойер и Уокер получили половину Нобелевской премии по химии в 1997 году. Вторую половину получил Йенс Кристиан Скоу «за первое открытие фермента, осуществляющего транспорт ионов — Na+,K±аденозинтрифосфатазы».
Рис.6. Механизм действия АТФ-синтазы. АТФ показан красным, АДФ и фосфат — розовым, вращающаяся субъединица γ — черным
Кристалл F1 состоит из перемежающихся α- и β-субъединиц (по 3 каждого вида), расположенных как дольки апельсина вокруг асимметричной γ-субъединицы. В соответствии с принятой моделью синтеза АТФ (также называемой моделью непостоянного катализа), градиент электрического поля, направленный поперек внутренней митохондриальной мембраны и обусловленный электронной транспортной цепочкой, заставляет протоны проходить сквозь мембрану через АТФ-синтазный компонент FO. Часть компонента FO (кольцо из c-субъединиц) вращается, когда протоны проходят через мембрану. Это c-кольцо жестко связано с асимметричной центральной ножкой (состоящей в основном из γ-субъединицы), которая в свою очередь вращается внутри α3β3-участка компонента F1. Это приводит к тому, что три участка катализа, связывающиеся с нуклеотидами, претерпевают изменения в конфигурации, приводящие к синтезу АТФ.
Основные субъединицы (α3β3) компонента F1 соединены дополнительной боковой ножкой с неподвижным участком FO, что предотвращает их вращение вместе с γ-субъединицей. Структура неповрежденной АТФ-синтазы с низкой точностью выявлена при помощи электронной криомикроскопии (ЭКМ). Показано, что боковая ножка — это гибкая перемычка, похожая на канат, наматывающаяся на комплекс во время его работы.
В механизме изменения участка связывания задействован активный участок β-субъединицы, последовательно проходящий через три состояния.
В «открытом» состоянии АДФ и фосфат подходят к активному участку. Затем белок охватывает эти молекулы и свободно связывается с ними («свободное» состояние). Следующее изменение формы белка прижимает молекулы друг к другу («тесное» состояние), что приводит к формированию АТФ. Наконец, активный участок снова переходит в «открытое» состояние, освобождает АТФ и связывает следующую молекулу АДФ и фосфата, после чего цикл производства АТФ повторяется.
АТФ-синтаза разных организмов
АТФ-синтаза растений
У растений АТФ-синтаза CF1FO присутствует в хлоропластах. Она встроена в мембрану тилакоида, причем компонент CF1 выступает в строму, где протекают реакции тёмного фотосинтеза (также называемые светонезависимыми реакциями Кальвиновского цикла). Структура и механизм катализа АТФ-синтазы хлоропластов почти такая же, как и в митохондриях. Однако электрохимический потенциал у хлоропластов формируется не дыхательной электротранспортной цепочкой, а фотосинтетическими белками.
АТФ-синтаза E. coli
АТФ-синтаза кишечной палочки — самая простая из всех известных АТФ-синтаз. Она состоит всего из 8 видов субъединиц.
Имеются различные типы АТФ-синтетазы, которые отличаются функциями (синтез АТФ или гидролиз), структурой (F-, V- A- АТФ-азы содержат вращательный мотор) и типом транспорта ионов.
• F- АТФ-азы (F1F0-АТФ-азы) в митохондрии, хлоропластах и плазматических мембранах бактерий являются первичными источниками АТФ, используя градиент протонов, полученный с помощью окислительного фосфорилирования (митохондрия) или фотосинтеза (хлоропласты).
• V-АТФ-азы (V1V0- АТФ-азы) найдены в основном в эукариотических вакуолях, катализирующих гидролиз АТФ в транспорте растворов и низком pH в органеллах.
• А-АТФ-азы (А1А0-АТФ-азы) найдены в Archaea и функционируют как F-АТФ-азы.
• Р-АТФ-азы (Е1Е2-АТФ-азы) найдены в бактерии и в эукариотических плазматических мембранах и органеллах, и функционируют в транспорте различных ионов через мембрану.
• Е-АТФ-азы ферменты клеточной поверхности, которые гидролизуют ряд нуклеозид трифосфатов, включая внеклеточную АТФ.
α и β-субъединицы были найдены в F1, V1 и A1 комплексах F, V, A-АТФ-аз, соответственно. F-АТФ-азы (или V1V0-АТФ-азы) и А-АТФ-азы (или А1А0-АТФ-азы) состоят из 2х связанных комплексов: F1, V1, A1 комплекс содержит каталитическое ядро, которое синтезирует/гидролизирует АТФ, и F0, V0, A0 комплекс, который формирует пору в мембране.
Дельта субъединица АТФ-синтетазы является субъединицей АТФ-азы бактерии и хлоропласта, или OSCP (олигомицин чувствительный белок) в митохондриальной АТФ-азе
P-АТФ-аза (Е1-Е2)
Найдены в бактериях и в плазматических мембранах и органеллах эукариот. Р-АТФ-азы функционируют в транспорте различных соединений, включая ионы и фосфолипиды, через мембрану, используя гидролиз АТФ для энергии.
Есть много разных классов Р-АТФ-азы, каждый из которых транспортирует специфический тип ионов:H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ag+, Ag2+, Zn2+, Co2+, Pb2+, Ni2+, Cd2+,Cu2+, Cu+.
P-АТФ-азы могут состоять из одного или двух полипептидов, и могут обычно принимать 2 главные конфигурации, называемые Е1 и Е2.
Вакуолярная АТФ-синтаза
Является высоко эволюционно преобразованным древним ферментом многообразыми функциями в эукариотических организмах. V-АТФ-азы подкисляют большую область внутриклеточных органелл и переносят протоны через плазматические мембраны различных типов клеток. V-АТФ-азы могут преобразовывать энергию гидролиза АТФ в транспорт протонов через внутриклеточные и плазматические мембраны эукариотических клеток.
V-АТФ-азы найдены в пределах многих органелл, таких как эндосомы, лизосомы и экскреторные везикулы, где они играют различные ключевые роли в функционировании этих органелл.
Например, протонный градиент через мембрану вакуоли дрожжей создается с помощью движения (перемещения) Са2+ V-АТФ-азой в вакуоль вследствие H+/Ca2+ системы антипорта. V-АТФ-азы также могут играть важную роль в синаптической передаче в нервных клетках. Норпинефрин проникает в везикулы с помощью V-АТФ-азы.
V-АТФ-азы также найдены в плазматической мембране многих клеток, таких как клетки почки, остеокластов, макрофагов, нейтрофилов, сперматозоида, средней кишки насекомых и некоторых клеток опухолей.
V-АТФ-аза включена в процессы такие как pH гомеостаз, связанный транспорт, метастаза опухолей. V-АТФ-азы в акросомальной мембране сперматозоида подкисляет акросому. Подкисление активирует протеазы необходимые для проникновения через плазматическую мембрану яйцеклетки.
В V- и А-АТФ-азах, α и β субъединицы V1 или A1 комплекса являются гомологичными α и β субъединицам в F1 комплексе F-АТФ-аз, полагая что α является каталитической и β субъединица- регуляторной.
α и β субъединицы могут каждая делиться на 3 региона, или домена, сосредоточенные около АТФ-связывающих углублений, и основанные на структуре, и функции. Центральный домен содержит нуклеотид-связывающие остатки, которые могут прямо взаимодействовать с АДФ/АТФ молекулой
АТФ-аза дрожжей
АТФ-аза дрожжей является наиболее лучше изученной. Имеются, по крайней мере, 13 идентифицированных субъединиц для формирования функционального комплекса V-АТФ-азы, которая состоит из 2х доменов.
V1 включает 8 субъединиц, А-H, с 3 копиями каталитических А и В субъединиц, 3 копиями субъединицы Е статора и G и 1 копией регуляторной С и H субъединиц.
В дополнении V1 домен также содержит субъединицы D и F, которые формируют центральный ротор
Домен V1 содержит тканеспецифичные изоформы субъединиц, включая В, С, Е и G.
V0 домен содержит 6 различных субъединиц a, d, c, ć, c", и е, с кольцом с. V0 домен млекопитающих содержит тканеспецифичные изоформы для субъединиц а и d.
V1 домен ответственен за гидролиз АТФ, а V0 домен за перенос протонов.
Гидролиз АТФ на каталитических местах связывания на субъединице А ведет к вращению центральной ножки, состоящей из субъединиц D, F, который приводит к повороту субъединицы С относительно субъединицы а.
Источники:
http://mitochondria.hotmail.ru/mito.htm
http://en.wikipedia.org
http://www.life.illinois.edu/crofts/bioph354/lect10.html
http://www.transhumanism-russia.ru/content/view/84/94/
http://www.ssmu.ru/ofice/f4/biochemistry/uthebnik/3.htm
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский Государственный Медицинский Университет.
Кафедра Биохимии.
РЕФЕРАТ
на тему
«АТФ-синтетаза, строение, катализируемая реакция, биологическое значение»
Работа выполнена студенткой
группы №159 стоматологического факультета
Лучинович Евгенией.
Преподаватель: Андреева Л.А.
Заведующий кафедрой:
Профессор Галебская Л.В.
Санкт-Петербург, 2012 |
