5.9.4. Синтез атф

Каталитические функции выполняют только субъединицы. Поэтому будем рассматривать конформационные изменения только этих субъединиц.

Синтез осуществляется при вращении субъединицы γ под действием внешнего вращательного момента, создаваемого потоком Н⁺ через ионный канал внутри комплекса С_n. Во время синтеза ротор вращается против часовой стрелки, если смотреть на ось z сверху (рис. 5–16).

Заметим, что механизм преобразования энергии протонов Н^+, движущихся в ионном канале, в механическую энергию вращения ротора остается во многом не ясным. Существует несколько предположений. Например, предполагается, что энергия нескольких (3÷5) протонов, переносимых через АТФсинтазу, аккумулируется для синтеза одной молекулы АТФ в виде энергии упругой деформации субъединицы γ. При переносе одного протона кольцо С_n вместе с нижним концом γ поворачивается на угол , где n – число субъединиц в роторе. В результате γ закручивается как пружина. При повороте ротора на угол 120° крутильный момент достигает критического значения, при котором верхняя часть субъединицы γ скачком прокручивается внутри центральной полости ансамбля .

Однако в такой модели не рассматривается, как энергия движения протонов преобразуется в энергию упругой деформации. Надо учитывать, что протоны движутся в вязкой среде и их скорость соответствует скорости дрейфа заряженных частиц в жидкости, то есть является достаточно малой. Поэтому деформация и вращение ротора могут возникать только в результате квазистатического давления ионов на гидрофобные стенки ионного канала. В качестве модели можно рассматривать движение ионов в канале, имеющем спиральную структуру. В этом случае ионы оказывают давление на наклонные, относительно оси z, стенки канала и создают вращательный момент.

Синтез АТФ F₁F₀-АТФсинтазой – кооперативный процесс, в котором все три субъединицы , и функционируют согласованно. Состояние одного из активных центров (наличие в активном центре субстратов и конформация центра) влияет на скорость протекания реакции синтеза/гидролиза в другом активном центре. При каждом повороте ротора на 120° происходит синтез одной молекулы АТФ.На рис. 5–17 субъединицы , и изображены в виде двух отрезков составляющих угол θ. Конформация, в которой находится субъединица , однозначно определяется положением конца ее нижней части (в механической модели – конца нижнего рычага). Для наглядности картина развернута по периметру γ субъединицы, «лопасти» которой 1 и 2 имеют на рис. 5–17 вид подковок. Положение системы в некоторый начальный (t=0) момент времени представлено на рис. 5–15, 5–16 и 5–17а: , и . Активный центр субъединицы открыт.

При синтезе АТФ γ-ротор вращается против часовой стрелки, если смотреть сверху (рис. 5–15, 5–16). При этом лопасти на рис. 5–17 смещаются слева – направо. Гидролиз АТФ (рис. 5–18) сопровождается вращением ротора по часовой стрелке и смещением лопастей справа – налево.

Будем считать, что в окружающем растворе субстраты синтеза: АТФ и органический фосфат Р_i ( ), находятся в достаточном количестве. Рассмотрим сначала перемещение субъединицы .

Поворот ротора . При последующем вращении ротора на ~60° верхняя сторона лопасти 2 соприкасается с нижним концом и при дальнейшем повороте еще на 60⁰ перемещает его в верхнее положение, происходит переход (рис. 5–17 б→в). Этот переход связан со сближением одноименно заряженных молекул АDР и Р_i и требует подвода энергии (обозначен двойной стрелкой). Угол θ уменьшается до минимума, соответствующего закрытой конформации . При сгибании субъединицы реагенты АDР и Р_i в активном центре сближаются на расстояние, при котором между ними образуется ковалентная связь и, непосредственно, без образования промежуточных комплексов, синтезируется АТP. Работа, необходимая для сближения одноименно заряженных групп АDP и P_i,

	 ,  , .
	,  ,  .
	 , ,  .
Рис. 5–17. Механическая иллюстрация согласованного изменения конформаций всех трех субъединиц в процессе синтеза: (а) – состояние в момент времени t=0: , и ; (б) – состояние при повороте «лопастей» ротора (темных подковок) на 1200; (в) – на 2400. Двойные стрелки обозначают изменения конформации субъединиц β, вызванные поворотом ротора на 120°. Одинарная стрелка указывает на изменение конформации, происходящее в результате сорбции АДФ и Фi

совершается за счет энергии вращающегося ротора и энергии, выделяющейся при возрастании сродства активного центра к субстратам. Однако, в конформации , когда молекулы АDP и P_i уже сближены на расстояние длины ковалентной связи, дополнительной энергии на образование ковалентной связи практически не требуется. В состоянии реакции синтеза и гидролиза равновероятны и идут самопроизвольно в обе стороны.

Поворот ротора . При последующем повороте ротора на 120° нижняя сторона лопасти 1 сдвигает нижний конец вниз . На начальной стадии разгибания субъединицы реакция резко сдвигается в сторону синтеза АТP. При дальнейшем разгибании для уменьшения сил связи синтезированной молекулы АТР с активным центром совершается работа. Благодаря чему энергия сродства активного центра к молекулам АТP сильно ослабляется. Синтезированная молекула АТP (в конфигурации ) выходит из активного центра в окружающую среду, а молекулы АDP и P_i входят в активный центр. °

При повороте ротора нижний конец субъединицы перескакивает под верхний край соседней лопасти 1. При вращении ротора лопасть 1 перемещает нижний конец вниз. Субъединица разгибается (на это также затрачивается энергия) и переходит в открытую конформацию . Молекула АТР выходит из активного центра, а новые субстраты ADP и P_i входят. При последующих поворотах ротора субъединица повторяет цикл субъединицы . Субъединица под давлением лопасти 2 переходит в закрытую конформацию . Таким образом, циклы синтеза АТР субъединицами , и сдвинуты по фазе на 120°.

При повороте ротора на 360° синтезируются три молекулы АТP.

В процессе синтеза АТP вращение ротора может осуществляться или непрерывно, если концентрации реагентов АDP и Pi велики, или скачками по 120°, с паузами, обусловленными временем посадки АDP и P_i в открытый центр.

Скорость вращения линейно связана с моментом вращающей силы. Скорость синтеза АТP F₁F₀-АТФсинтазой составляет (100÷300) молекул в секунду.

Производительность F₁F_0--ATФсинтазы поразительна. Общая масса молекул АТP, синтезируемых в организме человека в течение суток сравнима с массой самого человека. При этом надо учитывать, что в организме непрерывно идут процессы, сопряженные с гидролизом АТP.