7.Общий план энергетики растительной клетки. Источники и формы энергии в растительной клетке. Типы фосфорилирования. Теории механизмов фосфорилирования.
Жизнедеятельность растительного организма происходит при постоянном потреблении энергии. Источником ее служат: солнечная энергия, превращаемая зеленым растением в химическую энергию органических соединений, и экзергонические процессы окисления органических веществ, т. е. диссимиляция и выделение энергии. Существует две основные формы диссимиляции: дыхание и брожение. Процессы образования биологических соединений, или эндергонические процессы (ассимиляция), из веществ внешней среды идут с затратой энергии. Важнейшим из анаболитических процессов является фотосинтез, в котором происходит ассимиляция углерода зелеными растениями и бактериями и трансформация солнечной радиации в химическую энергию.
АТФ синтезируется путём фосфорилирования АДФ:
АДФ + H3PO4 + энергия → АТФ + H2O.
Типы фосфорилирования: субстратное, окислительное, фотосинтетическое.
1. Окислительное фосфорилирование – генерирование химической энергии в АТР за счет окисления высокоэнергетических (восстановленных) соединений, таких, как NADH и FADH2, образованных в процессах гликолиза и ц.Кребса. Окисление жирных кислот и аминокислот, ведут к образованию тех же самых богатых энергией молекул. Окислительное фосфорилирование является завершающим этапом процесса дыхания. NADH и FADH2 окисляются молекулярным кислородом не сразу и не прямо. Процесс идет постепенно с помощью последовательно функционирующих окислительно-восстановительных систем, переносящих электроны и протоны к молекулярному кислороду.
Кислород необходим для окисления в электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) митохондрий восстановленных коферментов — НАДН и ФАДН2, при этом синтезируется АТФ. Электрон-транспортная цепь локализована на внутренней мембране митохондрий и служит для переноса электронов от восстановленных субстратов на O2.Процесс переноса электронов (т. е. окисление субстратов) сопровождается созданием на внутренней мембране митохондрий электрохимического градиента протонов (H+), энергия которого трансформируется в энергию макроэргической связи АТФ
2. Другой путь синтеза – субстратное фосфорилирование. Не требует участия мембранных ферментов, оно происходит в цитоплазме в процессе гликолиза или путём переноса фосфатной группы с других макроэргических соединений.
3
.
Фотосинтетическое фосфорилирование
– происходит на мембране тилакоидов,
АТФ образуется за счет электронного
транспорта электронов от H2O к NADP+.
Теории механизмов фосфорилирования. Для объяснения механизма синтеза АТФ вначале были предложены три гипотезы — химическая, механохимическая (конформационаая) и хемиосмотическая.
Согласно химической гипотезе в митохондриях за счет энергии окисления на первом этапе с помощью соединения Х формируется некий фосфорилированный интермедиат Х ~ Р. На втором этапе происходит перенос фосфатной группы с фосфорилированного интермедиата на АДФ и образование АТФ. Однако вещество Х в митохондриях не удалось найти.
Механохимическая гипотеза: при окислении субстратов происходят конформационные изменения митохондрий, которые и обеспечивают энергию для синтеза АТФ. Основой механохимической гипотезы, предложенной в 1965 г. американским биохимиком П. Бойером послужило свойство митохондрий изменять свой объем в зависимости от энергетического состояния. Однако гипотеза П. Бойера не давала ответа на вопрос: почему при работе ЭТЦ митохондрий происходит подкисление среды?
Объяснение этому факту было получено работами английского биохимика П. Митчелла,который предложил хемиосмотический механизм синтеза АТФ. Он ввел понятие сопрягающей мембраны, непроницаемой для ионов H+. Он полагал, что в таких мембранах происходит сопряжение процессов окисления, трансмембранного транспорта протонов и синтеза АТФ. Он также постулировал, что элементы электрон-транспортной цепи митохондрий расположены в мембране таким образом, что переносчики электронов и протонов чередуются с переносчиками только электронов. Согласно хемиосмотической гипотезе: движение электронов по ЭТЦ сопровождается транспортом ионов H+ из матрикса в межмембранное пространство митохондрий. В результате на внутренней мембране митохондрий формируется электрохимический градиент протонов, который и является непосредственным источником энергии для синтеза АТФ. Синтез АТФ осуществляется в процессе
транспорта ионов H+по градиенту концентрации через протонный канал фермента АТФ-синтазы.
Согласно Митчеллу синтез АТФ идет следующим образом. В начале АДФ и Фн связываются с комплексом F1 фермента АТФ-синтазы. Далее протоны, перемещаясь по протонному каналу, взаимодействуют с одним из атомов кислорода фосфорной кислоты, который выводится из комплекса в виде воды: 2H+ + О = H2O. После этого АДФ через атом кислорода соединяется с фосфатом, образуя АТФ. На заключительном этапе происходит отделение синтезированной молекулы АТФ от ферментативного комплекса.
Дальнейшие исследования, связанные с анализом кинетики процесса синтеза АТФ и особенно с изучением кристаллической структуры F1-комплекса АТФ-синтазы, привели к выводу, что синтез АТФ идет согласно обменно-связывающему механизму, предложенному Бойером:
Механизм "связывание—обмен" Бойера: на первом этапе происходит присоединение АДФ и Фн к активному центру фермента и синтез АТФ без притока энергии. На втором этапе ионы H+, перемещаясь по протонному каналу АТФ-синтазного комплекса, вызывают конформационные изменения в каталитическом центре, в результате чего происходит высвобождение АТФ.