Синтез атф — структура, функции и пути образования аденозинтрифосфорной кислоты

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..

Устройство и принцип работы

АТФ-синтаза располагается на одной из мембран клетки и состоит из погруженного в нее домена F _{0 и} выступающего в матрикс или цитоплазму домена F _1, соединенных субъединицей γ. Отдаленно фермент напоминает плодовое тело гриба (в связи с чем в литературе по клеточной биологии, особенно старой, АТФ-синтазу иногда называли «грибовидными телом»).

Комплекс F _{1 имеет} диаметр около 9-10 нм и при разрушении γ «ножки» может отделяться от мембраны, образуя т F ₁ -АТФазу. F _{1 состоит} из трех субъединиц α и трех β, которые объединяются попарно и формируют гексамеров с тремя активными центрами. Конформации меняются при вращении субъединицы γ вместе с комплексом F Движущей силой в этом процессе переноса протона, что катализирует доменом F Таким образом, протон напрямую не участвует в реакции конденсации АДФ и аниона фосфата. Следует отметить, что сам α ₃ β ₃ гексамеров не вращается относительно «статора» a, поскольку он содержится субъединицей δ, в свою очередь связанной с a субъединицей b («стеблем») комплекса F _{1 (хотя} обычно F ₁ рассматривается как неподвижный , в действительности оба комплекса вращаются относительно друг друга в противоположных направлениях).

Принцип работы комплекса F ₁ состоит сначала в слабом связывании АДФ и фосфата с активным центром, который затем меняет конформацию и прочно связывает их, в результате чего синтез АТФ идет самопроизвольно. При третьей конформации АТФ выталкивается из активного центра.

Принцип работы комплекса F _{0 (что} часто называют «самым маленьким в мире роторным электромотором») заключается в проникновении протона через канал в «статоре» (субъединица a) до связывания в «Ротор» (c-кольце). Для освобождения на другой стороне мембраны протона нужно выйти через другой канал в статоре, что сдвинут на некоторое расстояние, то есть для выхода ротора НЕОБХОДИМО обернуться относительно статора. Таким образом в роторе создается горизонтальная разность потенциалов, вращает его относительно статора.

Ингибиторы

Было обнаружено множество природных и синтетических ингибиторов АТФ-синтазы. Их использовали для исследования структуры и механизма АТФ-синтазы. Некоторые могут иметь терапевтическое применение. Существует несколько классов ингибиторов АТФ-синтазы, включая пептидные ингибиторы, полифенольные фитохимические вещества, поликетиды, оловоорганические соединения, полиеновые производные α-пирона, катионные ингибиторы, аналоги субстратов, модификаторы аминокислот и другие различные химические вещества. Некоторые из наиболее часто используемых ингибиторов АТФ-синтазы — олигомицин и DCCD .

Ингибиторы

Было обнаружено множество природных и синтетических ингибиторов АТФ-синтазы. Они использовались для исследования структуры и механизма АТФ-синтазы. Некоторые могут иметь терапевтическое применение. Существует несколько классов ингибиторов АТФ-синтазы, включая пептидные ингибиторы, полифенольные фитохимические вещества, поликетиды, оловоорганические соединения, полиеновые производные α-пирона, катионные ингибиторы, аналоги субстратов, модификаторы аминокислот и другие различные химические вещества. Некоторые из наиболее часто используемых ингибиторов АТФ-синтазы: олигомицин и DCCD.

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.

Синтез

Синтез АТФ основан на преобразовании энергии через конформационные изменения субъединиц.

Для их работы необходим протонный градиент по обе стороны от мембраны, в которую вставлены АТФ-синтазы, что означает, что синтез АТФ не может осуществляться независимо от мембраны. Внутри митохондриальной внутренней мембраны именно дыхательная цепь обеспечивает градиент pH, вводя протоны в межмембранное пространство во время передачи электронов от одного комплекса к другому. На уровне тилакоидной мембраны именно фотосинтетическая цепь вводит протоны в просвет .

Протоны затем следуют электрохимическому градиенту (полярность мембраны добавления к разнице в концентрации) и пересекают липидный бислой на уровне Р _O роторов , которые являются практически единственными точками пересечения. Этот поток вызывает вращение F _O , вращение из-за нейтрализации протонами зарядов, переносимых аспарагинами, что приводит к изменению конформации субъединиц F ₁ . Таким образом, происходит преобразование осмотической энергии электрохимического градиента в энергию механического преобразования.

В частности, субъединицы β имеют три последовательные конформации: «свободная (L), плотная (S), открытая (O)» в этом порядке. Каждый из трех β находится в одном из этих трех положений, которые имеют прямую связь со связыванием, трансформацией и высвобождением реагентов синтеза АТФ.

В L-конформации каталитический сайт β имеет высокое сродство к АДФ и неорганическому ортофосфату P i , что вызывает их прикрепление.

В S-конформации активный центр сжимается на субстратах и ​​конденсирует их в АТФ, к которому он имеет очень высокое сродство: механическая энергия сокращения активного центра вызывает образование связи сложного эфира фосфорной кислоты между АДФ и P _i . Гидролиз этой связи очень эксергонический и может быть связан с большим количеством эндергонических реакций внутри клетки. Это называется высоким потенциалом гидролиза. Изменение свободной энтальпии во время реакции гидролиза АТФ до АДФ составляет ΔG = -51,8 кДж / моль в клеточных условиях. По этой причине АТФ представляет собой молекулу, богатую химической энергией (гидролиз), но которую никоим образом нельзя рассматривать как запас энергии (период полураспада АТФ составляет порядка минуты). Тем не менее, пару АДФ / АТФ можно сравнить с химической батареей, перезаряжаемой путем фосфорилирования АДФ.

Конформация O, наконец, с относительной релаксацией активного центра, следовательно, меньшей трехмерной совместимостью с молекулой АТФ, позволяет последней высвобождаться в среду, контактирующую с F ₁ , либо стромой, либо митохондриальным матриксом .

Мы говорим о ротационном катализе . Здесь осмотическая энергия преобразуется в механическую энергию, которая сама используется для перезарядки АТФ в химическую энергию, которая, кроме того, является единственным органофосфатом, который может перезаряжаться посредством такого осмохимического взаимодействия, что придает ему первостепенное значение — порядок внутри клетки.

Транскрипция — первый этап биосинтеза белка

Транскрипция — это процесс синтеза молекулы иРНК на участке молекулы ДНК.

Транскрипция (с лат. transcription — переписывание) происходит в ядре клетки с участием ферментов, основную работу из которых осуществляет транскриптаза. В этом процессе матрицей является молекула ДНК.

Спе­ци­аль­ный фер­мент на­хо­дит ген и рас­кру­чи­ва­ет уча­сток двой­ной спи­ра­ли ДНК. Фер­мент пе­ре­ме­ща­ет­ся вдоль цепи ДНК и стро­ит цепь ин­фор­ма­ци­он­ной РНК в со­от­вет­ствии с прин­ци­пом ком­пле­мен­тар­но­сти. По мере дви­же­ния фер­мен­та рас­ту­щая цепь РНК мат­ри­цы от­хо­дит от мо­ле­ку­лы, а двой­ная цепь ДНК вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся. Когда фер­мент до­сти­га­ет конца ко­пи­ро­ва­ния участ­ка, то есть до­хо­дит до участ­ка, на­зы­ва­е­мо­го стоп-ко­до­ном, мо­ле­ку­ла РНК от­де­ля­ет­ся от мат­ри­цы, то есть от мо­ле­ку­лы ДНК. Таким об­ра­зом, тран­скрип­ция — это пер­вый этап био­син­те­за белка. На этом этапе про­ис­хо­дит счи­ты­ва­ние ин­фор­ма­ции путём син­те­за ин­фор­ма­ци­он­ной РНК.

Копировать информацию, хотя она уже содержится в молекуле ДНК, необходимо по следующим причинам: синтез белка происходит в цитоплазме, а молекула ДНК слишком большая и не может пройти через ядерные поры в цитоплазму. А маленькая копия её участка — иРНК — может транспортироваться в цитоплазму.

После транскрипции громоздкая молекула ДНК остаётся в ядре, а молекула иРНК подвергается «созреванию» — происходит процессинг иРНК. На её 5’ конец подвешивается КЭП для защиты этого конца иРНК от РНКаз — ферментов, разрушающих молекулы РНК. На 3’ конце достраивается поли(А)-хвост, который также служит для защиты молекулы. После этого проходит сплайсинг — вырезание интронов (некодирующих участков) и сшивание экзонов (информационных участков). После процессинга подготовленная молекула транспортируется из ядра в цитоплазму через ядерные поры.

Транскрипция пошагово:

1. РНК полимераза садится на 3’ конец транскрибируемой цепи ДНК.
2. Начинается элонгация — полимераза «скользит» по ДНК в сторону 5’ конца и строит цепь иРНК, комплементарную ДНК.
3. Полимераза доходит до конца гена, «слетает» с ДНК и отпускает иРНК.
4. После этого происходит процесс созревания РНК — процессинг.

Проверьте себя: помните ли вы принцип комплементарности? Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей. Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены. Остов цепей ДНК образован сахарофосфатными остатками, а азотистые основания одной цепи располагаются в строго определённом порядке напротив азотистых оснований другой — это и есть правило комплементарности.

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.

Гидролиз АТФ в мышечных волокнах

Непосредственным источником энергии при мышечной деятельности является АТФ (аденозинтрифосфат), который находится в саркоплазме. Освобождение энергии происходит в результате реакции гидролиза АТФ.

Определение

Гидролиз АТФ – реакция, протекающая в мышечных волокнах, при которой происходит взаимодействие АТФ с водой (гидролиз).

АТФ+Н₂О→АДФ+Н₃РО₄ + энергия

В результате гидролиза 1 моль АТФ выделяется энергия, равная 30 кДж.

Энергия, выделяемая в результате гидролиза АТФ в мышечных волокнах, расходуется на: сокращение мышечных волокон (взаимодействие белков актина и миозина) и на их расслабление (работу кальциевого и натрий-калиевого насосов).

Более подробно строение и функции мышц описаны в моих книгах:

• Гипертрофия скелетных мышц человека
• Биомеханика опорно-двигательного аппарата человека

Ацидоз (закисление) мышечных волокон

Фосфорная кислота (Н₃РО₄) в саркоплазме достаточно быстро диссоциирует на ионы водорода и неорганический фосфат (остаток фосфорной кислоты). Накопление ионов водорода вызывает ацидоз мышцы, то есть ее «закисление». При этом рН саркоплазмы сдвигается в кислую сторону и может достигать значений рН=6,4-6,5.

В настоящее время доказано, что именно реакция гидролиза АТФ приводит к ацидозу, то есть «закислению» мышцы, а не гликолиз. Так, по данным Robergs R.A.(2001) в течение трех минутной физической нагрузки субмаксимальной интенсивности высвобождение ионов водорода посредством гидролиза АТФ составляет 215 ммоль/кг, а гликолиза только 129 ммоль/кг.

Фермент АТФ-аза

Гидролиз АТФ ускоряется ферментом АТФ-азой Этот фермент расположен на миозиновых головках толстого филамента. Молекула миозина имеет большой отрицательный заряд. Ионы кальция (Ca2+), выделяющиеся из саркоплазматического ретикулума при сокращении мышечного волокна, повышают АТФ-азную активность миозина и скорость гидролиза АТФ.

Содержание АТФ в мышечных волокнах незначительное и составляет 5 ммоль/кг сырой массы мышц. Оно поддерживается на относительно постоянном уровне, так как повышение концентрации АТФ в скелетных мышцах вызывает угнетение АТФ-азы и снижению сократительной способности миозина. Снижение концентрации АТФ ниже 2 ммоль/кг сырой массы приводит к нарушению работы кальциевого насоса и процесса расслабления мышц.

Активность фермента АТФ-азы лежит в основе разделения мышечных волокон на типы: медленные (I тип), промежуточные (IIA тип) и быстрые (IIB тип). В медленных мышечных волокнах активность этого фермента низкая, а в быстрых – высокая. Активность АТФ-азы миозина связана с типом (изоформой) миозина, содержащегося в данном волокне. Это обстоятельство позволяет посредством гистохимических методов определить какой именно миозин содержится в то или ином мышечном волокне.

Болезненные ощущения в мышцах во время тренировки

Гидролиз АТФ, приводящий к накоплению в саркоплазме  кислых продуктов, активирует работу антитранспортера, который выкачивает из мышечного волокна в тканевую жидкость ионы водорода и закачивает в мышечное волокно ионы натрия. «Закисление» тканевой жидкости воздействует на болевые рецепторы (ноцицепторы), чувствительные к изменению рН. В результате спортсмены ощущают в скелетных мышцах жжение и боль.

Более подробно этот вопрос описан в видеоролике «Почему болят мышцы на тренировке? Нужно ли делать кардио после силовой тренировки?» на моем канале в YouTube

Литература

1. Robergs R.A. Exercise-induced metabolic acidosis: where do the protons come from? // Sportscience 5. [sportsci.org/jour/0102/rar. htm, 2001].
2. Robergs, Robert A., Farzenah Ghiasvand, and Daryl Parker. Biochemistry of exercise-induced metabolic acidosis. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 287: R502–R516, 2004; 10.1152/ajpregu.00114.2004

Функции АТФ

Источник энергии

АТФ является основным носителем энергии, которая используется для всех клеточных активностей. Когда АТФ гидролизуется и превращается в аденозиндифосфат (АДФ), выделяется энергия. Удаление одной фосфатной группы высвобождает 7,3 килокалорий на моль или 30,6 кДж на моль при стандартных условиях. Эта энергия питает все реакции, которые происходят внутри клетки. АДФ также может быть преобразован обратно в АТФ, так что энергия доступна для других клеточных реакций.

АТФ производится несколькими различными способами. Фотофосфорилирование – это метод, специфичный для растений и цианобактерий. Это создание АТФ из АДФ с использованием энергии солнечного света, и происходит во время фотосинтез, АТФ также образуется из процесса клеточного дыхания в митохондрии клетки. Это может быть через аэробного дыхания, который требует кислорода, или анаэробное дыхание, чего нет. Аэробного дыхания производит АТФ (наряду с углекислым газом и водой) из глюкозы и кислорода. Анаэробное дыхание использует химические вещества, кроме кислорода, и этот процесс в основном используется археями и бактерии которые живут в анаэробных условиях. Ферментация является еще одним способом получения АТФ, который не требует кислорода; он отличается от анаэробного дыхания, потому что он не использует цепь переноса электронов, Дрожжи и бактерии являются примерами организмов, которые используют ферментацию для образования АТФ.

Передача сигнала

АТФ является сигнальной молекулой, используемой для клеточной коммуникации. Киназы, которые являются ферментами, которые фосфорилируют молекулы, используют АТФ в качестве источника фосфатных групп. Киназы важны для передачи сигнала, то есть как физический или химический сигнал передается от рецепторов снаружи клетки внутрь клетки. Как только сигнал находится внутри ячейки, ячейка может ответить соответствующим образом. Клеткам могут быть даны сигналы расти, метаболизироваться, дифференцироваться в определенные типы или даже умирать.

Синтез ДНК

Нуклеиновая основа аденина является частью аденозина, молекулы, которая образуется из АТФ и помещается непосредственно в РНК. Другие нуклеиновые основания в РНК, цитозине, гуанине и урациле, аналогично образуются из CTP, GTP и UTP. Аденин также обнаружен в ДНК, и его включение очень похоже, за исключением того, что АТФ превращается в форму дезоксиаденозинтрифосфата (dATP), прежде чем стать частью цепи ДНК.

Пути синтеза[править | править код]

В организме АТФ синтезируется путём фосфорилирования АДФ:

АДФ + H₃PO₄ + энергия → АТФ + H₂O.

Фосфорилирование АДФ возможно тремя способами:

• субстратное фосфорилирование,
• окислительное фосфорилирование,
• фотофосфорилирование в процессе фотосинтеза у растений.

В первых двух способах используется энергия окисляющихся веществ. Основная масса АТФ образуется на мембранах митохондрий в ходе окислительного фосфорилирования H-зависимой АТФ-синтазой. Субстратное фосфорилирование АДФ не требует участия мембранных ферментов, оно происходит в цитоплазме в процессе гликолиза или путём переноса фосфатной группы с других макроэргических соединений.

Реакции фосфорилирования АДФ и последующего использования АТФ в качестве источника энергии образуют циклический процесс, составляющий суть энергетического обмена.

В организме АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ; так, у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин. В течение суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2000—3000 циклов ресинтеза (человеческий организм синтезирует около 40 кг АТФ в день, но содержит в каждый конкретный момент примерно 250 г), то есть запаса АТФ в организме практически не создаётся, и для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ.

Последовательности движения и реакции

Функционирование «молекулярной машины» описано здесь на примере -АТФ-синтазы E. coli .

Гипотетический механизм вращения

Расположение центра, отвечающего за движение, показано на рисунке « ». Механизм вращательного движения показан в виде анимации на рисунке справа.

Анимированное вращение АТФ-синтазы

	Каждый пептид F o c из кольца ротора имеет остаток аспарагиновой кислоты (ASP) в положении 61 . Когда двигатель не работает, карбоксильные группы ASP протонируются (пептид-COOH) за одним исключением. В пептиде 1 ротора, который расположен рядом со статором F o b, группа ASP расположена рядом с группой аргинина статора. Их положительный заряд может стабилизировать отрицательный заряд посредством ионного взаимодействия, так что остаток ASP депротонируется (пептид-COO — ). Отрицательно заряженный роторный пептид 1 отличается своей пространственной структурой от других пептидов F o c. В петле шпильки , как в спиральной пружине , создается сильное механическое натяжение .
	Роторный пептид 1 улавливает протон извне: Пептид-COO — + H + (снаружи) → пептид-COOH (Какой путь проходит протон, еще точно не выяснено. Пептиды F o c могут создавать пространство для его проникновения в решающее положение 61. Согласно «теории единственного канала», пептид статора создает доступ.)
	Как только роторный пептид 1 протонируется, его структура с повышенным напряжением возвращается в расслабленное нормальное состояние. «Спиральная пружина» снова высвобождает свою энергию. На статор действует сила. Пептид вращается. Химическая энергия здесь преобразуется в кинетическую. Вращение пептида 1 приводит в движение двигатель.
	Вращение переносит пептид 1 на другую сторону аргинина статора и вращает кольцо ротора.
	Роторный пептид 1 теперь имеет ту же форму, что и другие роторные пептиды, у которых нет соседнего статора: протонированный и с расслабленной спиральной структурой.
	Кольцо теперь повернуто на 30 °. Однако движение роторного пептида одновременно втягивает следующую пептидную цепь 2 F o c под «заклинание» положительно заряженной группы аргинина.
	Структура пептида 2 изменена до возбужденного состояния. «Спиральная пружина» натянута.
	Пептид 2 отделяется от H +, который он имел в аспартатной группе в положении 61. Протон покидает место действия внутрь (на рисунке вверх). Пептид-COOH → Пептид-COO — + H + (внутри)
	Исходное состояние восстановлено. Однако это было передача кинетической энергии за счет вращения ротора, протон прошел снаружи внутрь.

Синтез АТФ в F ₁ (ае) ₃ комплекс

С биохимической точки зрения фактическое преобразование АДФ в АТФ нет ничего необычного по сравнению с управляемым протонами вращением кольца F _o c. В вовлеченных пептидных цепях происходят структурные изменения, которые вызывают реакцию субстратов (здесь АДФ и фосфат).

В комплексе F ₁ (αβ) ₃ имеется три каталитических центра. Они последовательно принимают три формы:

1. Высокое сродство к АДФ и фосфату. Исходные продукты АДФ и фосфат связаны с соответствующим каталитическим центром.
2. Высокое сродство к АТФ. Центр приобретает гидрофобный характер, что энергетически способствует реакции конденсации с образованием АТФ.
3. Открытая форма, в которой изгоняется АТФ.

Энергоемкая стадия — формирование открытой формы, то есть удаление продукта реакции АТФ из фермента. Именно это и позволяет вращательное движение.

Вращение ротора на 360 ° доставляет три молекулы АТФ в три этапа. Поскольку «машина» вращается на 30 ° при каждом прохождении протона, согласно этой модели на каждый АТФ расходуется четыре H + .

Где происходит синтез АТФ

Расщепление органических веществ до более простых с выделением энергии и запасанием ее в АТФ — это энергетический обмен. Он включает три этапа — подготовительный, бескислородный и кислородный.

На подготовительном этапе энергия хоть и выделяется, но не запасается в АТФ, а рассеивается в виде тепла.

Бескислородный этап протекает в цитоплазме и приводит к расщеплению каждой молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты. При этом выделяется мало энергии, поэтому синтезируется только две молекулы АТФ.

Кислородный этап энергетического обмена протекает в митохондриях. Здесь пировиноградная кислота окисляется до углекислого газа и воды, выделяется много энергии и синтезируется около 36 молекул АТФ.

Биосинтез белка и синтез жиров относятся к пластическому обмену, когда из более простых соединений синтезируются более сложные. Такие процессы идут не с выделением энергии, а с ее потреблением. АТФ здесь играет роль поставщика энергии, распадаясь до АДФ и фосфорной кислоты.

В биологии аббревиатурой АТФ обозначают органическое вещество (мономер) аденозинтрифосфат (аденозинтрифосфорную кислоту). По химическому строению оно представляет собой нуклеозидтрифосфат.

В состав АТФ входят рибоза, аденин, три остатка фосфорной кислоты. Фосфаты последовательно связаны между собой. При этом два последних так называемой макроэргической связью, разрыв которой обеспечивает клетку большим количеством энергии.

Таким образом, АТФ выполняет в клетке энергетическую функцию.

Большая часть молекул АТФ образуется в митохондриях в реакциях клеточного дыхания. В клетках постоянно идет синтез и распад большого количество молекул аденозинтрифосфорной кислоты.

Отщепление фосфатных групп в основном происходит при участии фермента АТФ-азы и является реакцией гидролиза (присоединения воды):

АТФ + H2O = АДФ + H3PO4 + E,

где E — это выделяющаяся энергия, идущая на различные клеточные процессы (синтез других органических веществ, их транспорт, движение органоидов и клетки, терморегуляцию и др.).

По разным источникам количество выделяющейся энергии составляет от 30 до 60 кДж/моль.

АДФ — это аденозиндифосфат, который содержит уже два остатка фосфорной кислоты.

Чаще всего к нему потом снова присоединяется фосфат с образованием АТФ:

АДФ + H3PO4 = АТФ + H2O — E.

Эта реакция идет с поглощением энергии, накопление которой происходит в результате рада ферментативных реакций и процессов переноса ионов (в основном в матриксе и на внутренней мембране митохондрий). В конечном итоге энергия аккумулируется в присоединяемой к АДФ фосфатной группе.

Однако от АДФ может отщепиться еще один фосфат, связанный макроэргической связью, при это образуется АМФ (аденозинмонофосфата).

АМФ входит в состав РНК. Отсюда еще одна функция аденозинтрифосфорной кислоты – она служит источником сырья для синтеза ряда органических соединений.

Таким образом, особенности строения АТФ, функциональное использование только его в качестве источника энергии в метаболических процессах, дает возможность клеткам иметь единую и универсальную систему по приему химической энергии.

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.