2.4. Энергозависимые реакции сопряжены с реакцией гидролиза атф.

Молекула аденозинтрифосфата (АТФ) имеет сложную структуру, основой которой является нуклеотид аденин, остаток рибозы и три остатка фосфорной кислоты (рис.2.1). Между фосфатными группами имеются две высокоэнергетические, или макроэргические связи, при разрыве которых освобождается много энергии. В результате гидролиза молекула АТФ теряет одну концевую фосфатную группировку, которая переносится на гидроксил воды, в результате чего образуется аденозиндифосфат (АДФ) и неорганический фосфат. Последний представляет собой стабильный ион ( НРО₄^2- ) и обозначается как Фн или Рi .

А ТФ + Н₂О АДФ + Фн. G₀^/ = -7,3 ккалмоль^-1

-30,6 кДж моль^-1

В молекулах АТФ и АДФ фосфатные группы способны к ионизации, степень которой зависит от рН среды. При рН=7,0 АТФ и АДФ представлены анионами с высоким зарядом: АТФ^4- и АДФ^3-. В ионизированной форме АТФ и АДФ образуют комплексы с ионом магния, который, как правило, необходим для протекания реакций с участием АТФ.

Величина G^/ реакции гидролиза АТФ может быть рассчитана по уравнению:

G' = G₀' + RT ln([АДФ][Ф_н]/[АТФ])

Концентрация воды как стандартного растворителя принята за 1 М. В реальных условиях значение G^/ зависит от температуры, содержания ионов магния, от концентрации реагирующих веществ и составляет –11--13 ккалмоль^-1. Для синтеза АТФ – это та ж величина, взятая с обратным знаком.

Д

Рис.2.1 . Структура АТФ.

ля некоторых реакций гидролиз АТФ идет с отщеплением сразу двух фосфатных групп с образованием аденозинмонофосфата (АМФ) и пирофосфата (ФФн), который подвергается дальнейшему гидролизу с образованием энергии.

О^- О^_

 

Н₂О + НО-Р- О -Р- О^- 2 НРО₄^2- G₀^/ = -8,0 ккалмоль^-1

  -33,5 Дж моль^-1

О О

АТФ представляет собой универсальное макроэргическое соединение, реакция гидролиза которого сопряжена со множеством энергозависимых процессов. Сопряжение осуществляется через образование общего для двух реакций промежуточного продукта: отщепляемый от АТФ фосфат временно переносится на молекулу одного из реагирующих веществ. В результате такого фосфорилирования энергия молекулы повышается, и это дает возможность пройти энергетически невыгодной реакции. Помимо АТФ в клетке есть и другие соединения с макроэргической связью и высокими значениями свободной энергии гидролиза (см. раздел «Дыхание»). Однако именно АТФ является наиболее общим и прямым источником энергии в клетке. В то же время следует заметить, что роль АТФ в метаболизме гораздо шире. АТФ является универсальным донором фосфатных групп в реакциях фосфорилирования, катализируемых ферментами киназами. Эти реакции важны не только для синтеза новых соединений, но и для регуляции ферментативной активности, а также играют важную роль в процессах, связанных с клеточной сигнализацией ( см. разд. «рост и развитие»).

2.5. В системах трансформации энергии центральным событием является возникновение трансмембранного градиента электрохимического потенциала ионов водорода (⁺).

Расход АТФ на обеспечение энергозависимых реакций должен восполняться ее синтезом, который требует адекватных энергетических затрат. Каким же образом происходит синтез АТФ в клетке и каким образом используется для этого энергия внешних ресурсов?

Небольшая часть АТФ может быть образована при анаэробном разложении глюкозы в биохимических реакциях гликолиза (см. раздел «дыхание»). Основная же часть АТФ в клетках растений, животных и многих бактерий образуется в процессах фотосинтеза или дыхания. В основе трансформации энергии, будь то энергия света или субстратов дыхания, в энергию молекулы АТФ лежит общий и единый механизм, который получил название хемиосмотического сопряжения. Впервые хемиосмотическая теория была постулирована в 1960 году английским биохимиком Питером Митчеллом. Однако идеи Митчелла были столь необычны, что стали общепризнанными лишь спустя некоторое время, когда получили неопровержимые экспериментальные подтверждения. Впоследствии Митчелл получил за свое открытие Нобелевскую премию (1978). Давайте в общих чертах рассмотрим, в чем смысл хемиосмотического сопряжения и какие события лежат на пути преобразования энергии в клетке.

В системах трансформации энергии ключевая роль принадлежит замкнутой, сопрягающей мембране, непроницаемой для ионов. Именно такой мембраной является тилакоидная мембрана хлоропластов, внутренняя мембрана митохондрий и плазматические мембраны бактериальных клеток. Как правило, сопрягающая мембрана обогащена белком и биохимически отличается от других мембран клетки, т.к. содержит уникальный фосфолипид - кардиолипин, который делает мембрану более жидкой и более непроницаемой для ионов.

Энергопреобразующие мембраны содержат электрон-транспортные цепи (далее- ЭТЦ). В процессах фотосинтеза и дыхания реализация энергии света или окисляемых субстратов в тилакоидной или митохондриальной мембране связана с возникновением электронного транспорта в ЭТЦ. Перенос электрона в фотосинтетической или дыхательной цепи неразрывно связан с векторной транслокацией иона Н⁺ через мембрану против сил электрического поля и в направлении большей концентрации. В фотосинтезе действие ЭТЦ сопряжено с накоплением протонов внутри тилакоидного пространства. Дыхательная цепь перекачивает протоны из матрикса в межмембранное пространство митохондрий. Процесс транслокации протона сопровождается энергезацией мембраны и возникновением трансмембранной разности, или градиента электрохимического потенциала протона ( ⁺), или протондвижущей силы p. Генерируемый на мембране ⁺ представляет собой форму энергии, запасенную на мембране, и используется для синтеза АТФ в процессах фотофосфорилирования (см. разд «фотосинтез») и окислительного фосфорилирования (см. разд. «дыхание»). Синтез АТФ катализируется ферментом АТФ- синтазой, также локализованным в сопрягающих мембранах хлоропластов, митохондрий или бактерий.

Таким образом, система трансформации энергии включает следующие основные компоненты:

- замкнутая сопрягающая мембрана;

- локализованная в мембране ЭТЦ;

-трансмембранный электрохимический протонный градиент, генерируемый работой цепи;

-АТФ синтаза, катализирующая синтез АТФ из АДФ и Фн за счет энергии ⁺.

Так выглядит общая схема преобразования энергии на мембране. Рассмотрим теперь более подробно, что представляет собой энергия ⁺ и каким образом она превращается в энергию макроэргической связи в молекуле АТФ.