1. Створення (завдяки окисленню в мітохондріях, чи поглинанню випромінювання в хлоропластах)

2. Н⁺АТФсинтаза

   Хлоропласт

   Мітохондрія

   дає енергію для синтезу АТФ з АДФ і фосфорної кислоти за допомогою ферменту Н⁺АТФсинтази .

Р ух бактерій. Аналог електродвигуна що працює на електростатичних силах . Дифузія протонів викликає поступальний рух білків MotA,Bщо викликає обертання диску P. Це заставляє обертатися джгутик. Для одного оберту потрібно проходження пари сотень іоній Н⁺. Швидкість обертання 5-50 об/с.

K-15. Теорія спряження біологічного окиснення та фосфорилювання.

Т ермодинамічне представлення трансформації енергії електронного транспорту (окисний процес) у хімічну енергію молекул АТФ зображається через два спряжені потоки—потік окиснення J_p і потік фосфорилювання J_ф.

Схематичне зображення спряження потоку окиснення J_р з потоком фосфорилювання J_ф;Х_F і Х_ф — узагальнені сили цих потоків

Схематично спряження цих двох потоків зображується у вигляді простого енергетичного перетворювача (конвертера) (рис. 12.6). За положеннями лінійної нерівноважної термодинаміки (частина І, розділ 2) дисипативну функцію для цих процесів запишемо таким чином:

Ф=J_рХ_р+J_фХ_ф, (12.10)

де Х_р і Х_ф — узагальнені сили, які спричинюють потоки J_р і .J_ф. Спряжені потоки будуть залежати від Х_р і Х_ф так:

J_p = L₁₁Х_р + L₁₂Х_ф

J_ф = L₂₁Х_р + L₂₂Х_ф (12.11)

де L_iJ — коефіцієнти зв'язку між потоками й узагальненими силами.

Ефективність спряження між потоками залежить від величини спря­жених коефіцієнтів L₁₂ i L₂₁, які за співвідношенням взаємності Онзагера (2.22) однакові: L₁₂ = L₂₁ Визначимо відношення двох потоків з ураху­ванням (2.22):

J _ф / J_p = (L₂₁Х_р + L₂₂Х_ф )/( L₁₁Х_р + L₁₂Х_ф)(12.12)

Винесемо з виразу (12.12) Х_р і домножимо чисельник і знаменник на

Введемо у вираз (12.13) такі позначення:

- ступінь спряженості двох потоків. Тоді (12.13) набуде вигляду:при максимальній спряженості потоків (# = 1) — = г.

Анализуючи вараз

отримуємо два крайніх випадки: за відсутності спряженості потоків окиснення і фосфорилювання

При максимальній спряженості потоків Отже, у реальній ситуації ступінь спряженості знаходиться в таких межах: 0 <,= q <,= 1

K-16. Функции элктр\хим градиента протонов водорода в клетках зверей

Искусственная липидная мембрана для ионов практически не проницаема, биологические мембраны содержат «ионные каналы», по которым отдельные ионы избирательно проникают через мембрану. Проницаемость и полярность мембраны зависят от электрохимического градиента, т. е. от концентраций ионов по обе стороны мембраны (концентрационного градиента) и от разности электрических потенциалов между внутренней и внешней сторонами мембраны (мембранного потенциала).В состоянии покоя клеток мембранный потенциал составляет от -0,05 до -0,09 В, т.е. на внутренней стороне плазматической мембраны преобладает избыток отрицательных зарядов. Потенциал покоя обеспечивается катионами Na⁺ и K⁺, а также органическими анионами и ионом Cl^- (1). Распределение ионов между внешней средой и внутренним объемом клетки описывается уравнением Нернста, где ΔΨ_G — трансмембранный потенциал (в вольтах, В), т.е. разность электрических потенциалов между двумя сторонами мембраны при отсутствии транспорта ионов через мембрану (потенциал равновесия). Для одновалентных ионов при 25^оС множитель RT/Fn равен 0,026 В.

Ионы гидроксония («H⁺-ионы») также могут формировать электрохимический градиент. Такой протонный градиент имеет решающее значение для клеточного синтеза АТФ Как и в случае других ионов, свободная энергия переноса протона зависит от градиента концентрации, т. е. от разности рН (ΔpH) по ту и другую стороны мембраны. Кроме того, определенный вклад вносит и трансмембранный потенциал ΔΨ (см. А). Обе эти величины формируют протондвижущую силу Δp, являющуюся мерой работы ΔΨ_G , которую может совершать H⁺-градиент. Таким образом, протонный градиент через внутреннюю митохондриальную мембрану дает примерно 24 кДж на моль переносимых ионов H⁺.

Протонные градиенты формируются различными способами. Необычным протонным насосом является бактериородопсин, использующий энергию света При фотосинтезе восстановленный пластохинон (QH₂) переносит протоны вместе с электронами через мембрану (Q-цикл, 2). Образование протонного градиента в дыхательной цепи также сопряжено с окислительно-восстановительным процессом. В комплексе III, по-видимому, как и при фотосинтезе, за перенос прогона ответствен Q-цикл В цитохром с-оксидазе (комплекс IV, 3) H⁺-транспорт сопряжен с электронным потоком от цитохрома с на О₂.

K-17. Механізми транс локації електронів та протонів в мембранах мітохондрій.

Дане питання можна переформулювати в вигляді: які основні етапи та складові частини, що беруть участь в дихальному ланцюці.

В большынстве биохимических реакций дыхательной цепи окисление можно рассматривать как отщепление двух атомов водорода, каждый из которых состоит из протона и электрона. Протон в водном растворе существует в виде катиона Н+, и, если на время забыть об электронах, каждая из приведенных выше реакций будет сопровождаться закислением среды. Электроны в свободном виде в водном растворе существовать не могут, поэтому для протекания этих реакций белки-катализаторы должны содержать ловушку для электронов. В качестве такой ловушки в ферментах-дегидрогеназах служат относительно небольшие (по сравнению с размером белков) органические или неорганические молекулы или атомы разной химической природы. Эти молекулы принято называть кофакторами или простетическими группами. Существуют несколько типов свободных кофакторов. В качестве основного служит молекула никотинамидадениндинуклеотида (сокращенно NAD.

В процессе восстановления исходно окисленная молекула NAD (обозначают NAD+, по заряду участвующей в реакции группы) принимает два электрона и один протон. В грубом приближении можно считать, что все окислительные реакции, катализируемые дегидрогеназами, приводят к универсализации отщепленных атомов водорода и запасанию их в виде NADН. NAD+ и NADН хорошо растворимы в воде и присутствуют в значительных количествах в цитоплазме и митохондриях. Дыхательная цепь, состоящая из нескольких ферментов, прочно связанных с внутренней мембраной митохондрий, осуществляет окисление митохондриального NADН кислородом:

В присутствии кислорода два электрона в молекуле NADН стремятся перейти к молекуле кислорода, и такой переход сопровождается освобождением энергии.

Проследим теперь путь двух электронов от NADН к кислороду. Суммарный процесс разбит на три стадии, каждая из которых катализируется тремя липопротеидными комплексами, встроенными во внутреннюю мембрану митохондрий. Комплексы плавают в фосфолипидном море мембраны, так что верхушки и дно этих айсбергов контактируют с водными фазами матрикса и межмембранного пространства митохондрий. Жидкая липидная фаза разрешает двумерную диффузию комплексов в плоскости мембраны, так что комплексы могут встречаться между собой. Каждый комплекс катализирует окислительно-восстановительную реакцию - перенос электронов и, следовательно, как уже отмечалось, содержит в своем составе простетические группы, способные принимать и отдавать электроны. Комплекс I содержит в своем составе флавин (производное витамина рибофлавина) и более 20 атомов железа, упакованных в клетки, построенные из атомов серы. Комплекс III содержит железо как в серных клетках, так и в виде комплексов с порфиринами - сложными гетероциклическими молекулами, содержащими четыре атома азота. Такие комплексы называются гемами, а комплексы гемов с полипептидными цепями - цитохромами. В состав комплекса IV (дыхательный фермент Варбурга, цитохромоксидаза) помимо двух различных гемов входят несколько атомов меди, прочно связанных с белком. Кроме этих трех гигантских образований в состав дыхательной цепи входят еще два компонента. Один из них - небольшой белок (молекулярная масса около 13 тыс.), содержащий ковалентно связанный гем - цитохром с. Другой - нерастворимое в воде "жирное" соединение - убихинон, способное выполнять в гидрофобной фазе мембраны такую же функцию, какую выполняет NAD в водном окружении цитоплазмы или матрикса митохондрий, - запасать атомы водорода:

Убихинон (как окисленный, так и восстановленный) совершенно нерастворим в воде, но хорошо растворяется в средах с низкой диэлектрической постоянной ("жирные" среды). Длинный хвост убихинона, по-видимому, вытянут в плоскости гидрофобного слоя мембраны, а активная голова может располагаться либо в той же плоскости, либо приближаться к поверхностям мембраны, контактирующим с водными фазами. Важное свойство убихинона, которое понадобится нам при дальнейшем рассмотрении, состоит в том, что его голова может восстанавливаться ступенчато, принимая последовательно по одному электрону (и протону). При этом возникает полувосстановленная форма - убисемихинон.

Первая стадия окисления NADН катализируется комплексом I, один активный центр которого контактирует с водной фазой матрикса (внутреннее пространство митохондрий) и связывает NADH. Два электрона, отщепленные от NADН, путешествуют по окислительно-восстановительным компонентам комплекса I и в конечном счете попадают на убихинон, который связывается с другим активным центром, расположенным внутри гидрофобной фазы мембраны. В результате происходит реакция

в ходе которой электроны из водного окружения (в молекуле NADН) попадают в "жирную" фазу мембраны (молекула убихинола). Энергетический потенциал (запас энергии) атомов водорода (Н+ + ) в молекуле убихинола существенно ниже, чем в молекуле NADН, и в результате реакции освобождается энергия.

Восстановленный убихинон (убихинол) отдает электроны из гидрофобной фазы в водное окружение - на атом железа гема цитохрома с. Этот процесс катализируется комплексом III (при этом электроны путешествуют по атомам железа в составе компонентов комплекса):

Энергетический потенциал электронов (теперь в цитохроме с) становится еще ниже. Окисленный цитохром с хорошо связывается с комплексом III, а восстановленный - с комплексом IV. Это означает, что комплексы III и IV умеют различать белковые молекулы окисленного и восстановленного цитохрома с (молекулярная масса около 13 тыс.), отличающиеся друг от друга всего на один электрон, - яркий пример того, что связывание малого по размеру лиганда (в данном случае электрона) способно приводить к изменению конформации белка!

Последняя стадия (теперь в реакцию дыхания вступает собственно кислород) катализируется комплексом IV:

и электроны, пройдя по атомам железа и меди в составе комплекса IV, попадают, наконец, на кислород, связывающийся в активном центре цитохромоксидазы, что приводит к образованию воды.

Суммарная реакция, катализируемая дыхательной цепью, таким образом состоит в окислении NADH кислородом, приводящем к образованию Н2О. Энергетический потенциал электронов в NADH, который по запасу энергии существенно больше, чем даже в молекуле водорода, оказывается плавно спущенным до стабильного состояния в молекуле воды. При этом освобождается энергия, достаточная для синтеза по крайней мере трех молекул АТР на каждую пару электронов, перенесенных от NADH к кислороду.

K-1 8. Молекулярна структура та модель функціонування Н+АТФ ази?

АТФ-синтаза — фермент що здійснює реакцію синтеза АТФ з АДФ і аніону фосфату зазвичай за рахунок енергії трансмембранного електрохімічного потенціалу протонів (тобто комбінації градієнту протонів і електричної напруги), а у деяких організмів за рахунок електрохімічного потенціалу іонів натрію, перетворюючи її, таким чином, на енергію хімічних зв'язків, яка потім може використовуватися клітиною в біохімічних реакціях. У випадку, коли фермент проводить зворотній процес — формує трансмембранний протонний градієнт за рахунок гідролізу АТФ, його можуть називати АТФазою. Дію ферменту інгібує антибіотик олігоміцин.

АТФ-синтаза F₁F₀ складається з двох субодиниць:

• F₀ мембранна частина комплексу

• F₁ частина комплексу в матриксі мітохондрій або цитоплазмі бактерій.

Номенклатура субодиниць АТФ-синтази досить складна та має довгу історію. F₁-фракція отримала свою назву від терміну fraction 1 («фракція 1»), а F₀ (що спочатку писалася з індексом «O», а не «ноль», як це більш прийнято зараз) отримала назву як фракція, що зв'язує олігоміцин.

За прикладом інших ферментів, більшість субодиниць отримали назви у вигляді грецьких (від α до ε) і латинських (від a до h) літер. Решта субодиниць отрималі більш складні назви: