ويسمى التباين. إنها مجموعة من المركبات العضوية التي تطلق كمية معينة من الطاقة.
ويحدث التماثل على مرحلتين أو ثلاث مراحل، وذلك يعتمد على نوع الكائنات الحية. وهكذا، في الهوائية يتكون من مراحل تحضيرية، خالية من الأكسجين والأكسجين. في اللاهوائيات (الكائنات الحية القادرة على العمل في بيئة خالية من الأكسجين)، لا يتطلب التماثل الخطوة الأخيرة.
تنتهي المرحلة الأخيرة من استقلاب الطاقة في التمارين الهوائية بالأكسدة الكاملة. في هذه الحالة، يتم تكسير جزيئات الجلوكوز لإنتاج الطاقة، والتي تستخدم جزئيًا لتكوين ATP.
ومن الجدير بالذكر أن تخليق ATP يحدث أثناء عملية الفسفرة، عند إضافة الفوسفات غير العضوي إلى ADP. في هذه الحالة، يتم تصنيعه في الميتوكوندريا بمشاركة سينسيز ATP.
ما التفاعل الذي يحدث عند تكوين هذا المركب النشط؟
يتحد ثنائي فوسفات الأدينوزين والفوسفات لتكوين ATP، الذي يتطلب تكوينه حوالي 30.6 كيلوجول/مول. أدينوسين ثلاثي الفوسفات حيث يتم إطلاق كمية كبيرة منه أثناء التحلل المائي لروابط ATP عالية الطاقة.
الآلة الجزيئية المسؤولة عن تخليق ATP هي سينسيز محدد. وهو يتألف من جزأين. يقع أحدهما في الغشاء وهو عبارة عن قناة تدخل من خلالها البروتونات إلى الميتوكوندريا. يؤدي هذا إلى إطلاق الطاقة، التي يتم التقاطها بواسطة جزء هيكلي آخر من ATP يسمى F1. أنه يحتوي على الجزء الثابت والدوار. الجزء الثابت ثابت في الغشاء ويتكون من منطقة دلتا، بالإضافة إلى وحدات فرعية ألفا وبيتا، المسؤولة عن التخليق الكيميائي للـ ATP. يحتوي الدوار على وحدات غاما وكذلك إبسيلون. يدور هذا الجزء باستخدام طاقة البروتونات. يوفر هذا السينسيز تخليق ATP إذا تم توجيه البروتونات من الغشاء الخارجي إلى منتصف الميتوكوندريا.
وتجدر الإشارة إلى أن الخلية تتميز بالترتيب المكاني. يتم توزيع منتجات التفاعلات الكيميائية للمواد بشكل غير متماثل (تذهب الأيونات الموجبة الشحنة في اتجاه واحد، والجزيئات سالبة الشحنة في الاتجاه الآخر)، مما يخلق إمكانات كهروكيميائية على الغشاء. يتكون من مكون كيميائي وكهربائي. ينبغي أن يقال أن هذه الإمكانية الموجودة على سطح الميتوكوندريا هي التي تصبح شكلاً عالميًا لتخزين الطاقة.
اكتشف هذا النمط العالم الإنجليزي ب. ميتشل. واقترح أن المواد بعد الأكسدة لا تظهر على شكل جزيئات، بل على شكل أيونات موجبة وسالبة الشحنة، والتي تقع على طرفي نقيض من غشاء الميتوكوندريا. هذا الافتراض جعل من الممكن توضيح طبيعة تكوين روابط عالية الطاقة بين الفوسفات أثناء تخليق أدينوسين ثلاثي الفوسفات، وكذلك صياغة فرضية تناضح كيميائي لهذا التفاعل.
سينسيز ATP (H + -ATPase) هو بروتين متكامل للغشاء الداخلي للميتوكوندريا. يقع بالقرب من السلسلة التنفسية. يتكون ATP سينسيز من مركبين بروتينيين، هما F0 وF1.
يتم غمر المركب الكاره للماء F0 في الغشاء. إنه بمثابة قاعدة تثبت سينسيز ATP في الغشاء. يتكون مجمع F0 من عدة وحدات فرعية تشكل قناة يتم من خلالها نقل البروتونات إلى المصفوفة.
هيكل وآلية عمل سينسيز ATP. A - F 0 و F 1 - مجمعات سينسيز ATP. يتضمن F 0 سلاسل متعددة الببتيد تشكل قناة تخترق الغشاء من خلالها. من خلال هذه القناة، تعود البروتونات إلى المصفوفة من الفضاء بين الغشائي؛ يبرز بروتين F1 إلى المصفوفة من الجانب الداخلي للغشاء ويحتوي على 9 وحدات فرعية، 6 منها تشكل 3 أزواج α و β ("الرأس")، تغطي الجزء الأساسي، الذي يتكون من 3 وحدات فرعية γ و δ و ε. γ و ε متحركان ويشكلان قضيبًا يدور داخل الرأس الثابت ومتصلًا بالمجمع F0. في المراكز النشطة التي تتكون من أزواج من الوحدات الفرعية α و β، يحدث ارتباط ADP والفوسفات غير العضوي (Pi) وATP. ب - تتضمن الدورة التحفيزية لتخليق ATP 3 مراحل، كل منها تتم بالتناوب في 3 مراكز نشطة: 1 - ربط ADP وH 3 PO 4؛ 2 - تكوين رابطة فوسفونهيدريد ATP. 3- إطلاق المنتج النهائي . مع كل نقل للبروتونات عبر قناة F0 إلى المصفوفة، تحفز المراكز الثلاثة النشطة المرحلة التالية من الدورة. يتم إنفاق طاقة الإمكانات الكهروكيميائية على تدوير القضيب، ونتيجة لذلك يتغير شكل الوحدات الفرعية α و β بشكل دوري ويحدث تخليق ATP.
3. معامل الفسفرة التأكسدية
ويرافق أكسدة جزيء NADH في CPE تكوين 3 جزيئات ATP؛ تدخل الإلكترونات من نازعة الهيدروجين المعتمدة على FAD إلى CPE عند KoQ، متجاوزة نقطة الاقتران الأولى. ولذلك، يتم تشكيل جزيئين ATP فقط. تسمى نسبة كمية حمض الفوسفوريك (P) المستخدم في فسفرة ADP إلى ذرة الأكسجين (O) الممتصة أثناء التنفس بمعامل الفسفرة التأكسدية ويشار إليها بـ P/O. لذلك، بالنسبة لـ NADH P/O = 3، بالنسبة للسكسينات P/O - 2. تعكس هذه القيم الحد الأقصى النظري لتخليق ATP، في الواقع، هذه القيمة أقل.
49. تنظيم سلسلة نقل الإلكترون (التحكم في الجهاز التنفسي). تفكك تنفس الأنسجة والفسفرة التأكسدية. وظيفة التنظيم الحراري لتنفس الأنسجة. الوظيفة الحرارية لاستقلاب الطاقة في الأنسجة الدهنية البنية.
4. التحكم في الجهاز التنفسي
ترتبط أكسدة الركائز والفسفرة في ADP في الميتوكوندريا بإحكام. ينظم معدل استخدام ATP معدل تدفق الإلكترون إلى CPE. إذا لم يتم استخدام ATP وزيادة تركيزه في الخلايا، فإن تدفق الإلكترونات إلى الأكسجين يتوقف. من ناحية أخرى، فإن استهلاك ATP وتحويله إلى ADP يزيد من أكسدة الركائز وامتصاص الأكسجين. يسمى الاعتماد على شدة تنفس الميتوكوندريا على تركيز ADP بالتحكم في الجهاز التنفسي. تتميز آلية التحكم في الجهاز التنفسي بالدقة العالية وهي مهمة، لأنه نتيجة لعملها، فإن معدل تخليق ATP يتوافق مع احتياجات الطاقة للخلية. لا توجد احتياطيات ATP في الخلية. تختلف التركيزات النسبية لـ ATP/ADP في الأنسجة ضمن حدود ضيقة، في حين أن استهلاك الطاقة من قبل الخلية، أي. يمكن أن يتغير تردد دوران دورة ATP و ADP عشرات المرات.
ب. نقل ATP وADP عبر أغشية الميتوكوندريا
في معظم الخلايا حقيقية النواة، يحدث تخليق الكمية الرئيسية من ATP داخل الميتوكوندريا، ويقع المستهلكون الرئيسيون لـ ATP خارجها. من ناحية أخرى، يجب الحفاظ على تركيز كاف من ADP في مصفوفة الميتوكوندريا. لا يمكن لهذه الجزيئات المشحونة المرور عبر الطبقة الدهنية للغشاء من تلقاء نفسها. الغشاء الداخلي غير منفذ للمواد المشحونة والمحبة للماء، ولكنه يحتوي على عدد معين من الناقلات التي تنقل هذه الجزيئات بشكل انتقائي من العصارة الخلوية إلى المصفوفة ومن المصفوفة إلى العصارة الخلوية.
يحتوي الغشاء على بروتين مضاد ATP/ADP الذي ينقل هذه المستقلبات عبر الغشاء (الشكل 6-16). يدخل جزيء ADP إلى مصفوفة الميتوكوندريا فقط إذا غادر جزيء ATP المصفوفة.
القوة الدافعة لمثل هذا التبادل هي إمكانات الغشاء لنقل الإلكترون على طول CPE. تظهر الحسابات أن حوالي ربع الطاقة الحرة لإمكانات البروتون يتم إنفاقها على نقل ATP و ADP. يمكن للناقلين الآخرين أيضًا استخدام طاقة التدرج الكهروكيميائي. هذه هي الطريقة التي يتم بها نقل الفوسفات غير العضوي، الضروري لتخليق ATP، داخل الميتوكوندريا. المصدر المباشر للطاقة الحرة لنقل Ca 2+ إلى المصفوفة هو أيضًا إمكانات البروتون، وليس طاقة ATP.
ب. فك الارتباط بين التنفس والفسفرة
يمكن لبعض المواد الكيميائية (البروتونوفورات) نقل البروتونات أو الأيونات الأخرى (الحوامل الأيونية) من الفضاء بين الغشاء عبر الغشاء إلى المصفوفة، متجاوزة قنوات البروتون في سينسيز ATP. ونتيجة لذلك، تختفي الإمكانات الكهروكيميائية ويتوقف تصنيع ATP. وتسمى هذه الظاهرة فصل التنفس والتفسفر. ونتيجة لفك الارتباط، تنخفض كمية ATP ويزيد ADP. في هذه الحالة، يزداد معدل أكسدة NADH وFADH 2، وتزداد أيضًا كمية الأكسجين الممتص، ولكن يتم إطلاق الطاقة على شكل حرارة، وتنخفض نسبة P/O بشكل حاد. وكقاعدة عامة، فإن أدوات فك الارتباط هي مواد محبة للدهون تمر بسهولة عبر الطبقة الدهنية من الغشاء. إحدى هذه المواد هي 2,4-دينتروفينول، والتي تنتقل بسهولة من الشكل المتأين إلى الشكل غير المتأين عن طريق ربط بروتون في الفضاء بين الغشاء ونقله إلى المصفوفة.
يمكن أن تكون بعض الأمثلة على أدوات فك الارتباط أيضًا بعض الأدوية، على سبيل المثال، ديكومارول - مضاد التخثر أو المستقلبات التي تتشكل في الجسم، البيليروبين - منتج الهدم، هرمون الغدة الدرقية - هرمون الغدة الدرقية. كل هذه المواد تظهر تأثير فك الارتباط فقط عند التركيزات العالية.
د. وظيفة التنظيم الحراري للجهاز العصبي المركزي
ما يقرب من 40-45٪ من إجمالي طاقة الإلكترونات المنقولة من خلال CPE يتم إنفاقها على تخليق جزيئات ATP، وحوالي 25٪ يتم إنفاقها على عمل نقل المواد عبر الغشاء. وتتبدد بقية الطاقة على شكل حرارة وتستخدمها الحيوانات ذوات الدم الحار للحفاظ على درجة حرارة الجسم. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يحدث توليد حرارة إضافي عند فصل التنفس عن عملية الفسفرة. قد يكون فصل الفسفرة التأكسدية مفيدًا بيولوجيًا. يسمح لك بتوليد الحرارة للحفاظ على درجة حرارة الجسم عند الأطفال حديثي الولادة وفي حيوانات السبات وفي جميع الثدييات في عملية التكيف مع البرد. في الأطفال حديثي الولادة، وكذلك الحيوانات في حالة السبات، هناك نسيج خاص متخصص في إنتاج الحرارة من خلال فصل التنفس والتفسفر - الدهون البنية. تحتوي الدهون البنية على العديد من الميتوكوندريا. هناك فائض كبير في إنزيمات الجهاز التنفسي في غشاء الميتوكوندريا مقارنة بـ سينسيز ATP. حوالي 10٪ من جميع البروتينات هي ما يسمى بروتين فك الارتباط (RB-1) - ثيرموجينين. توجد الدهون البنية عند الأطفال حديثي الولادة، ولكنها غائبة عمليا عند البالغين. في السنوات الأخيرة، ظهرت حقائق تشير إلى وجود بروتينات غير مترابطة في الميتوكوندريا لأعضاء وأنسجة مختلفة في الثدييات، تشبه في تركيبها RB-1 للأنسجة الدهنية البنية. في بنيته، يكون الثيرموجينين قريبًا من مضاد الـ ATP/ADP، ولكنه غير قادر على نقل النيوكليوتيدات، على الرغم من أنه يحتفظ بالقدرة على نقل أنيونات الأحماض الدهنية، التي تعمل كمفككات.
على السطح الخارجي للغشاء، يربط أنيون الأحماض الدهنية بروتونًا ويعبر الغشاء بهذا الشكل؛ على الجانب الداخلي للغشاء ينفصل، ويطلق بروتونًا في المطرق وبالتالي يقلل من تدرج البروتون. يعود الأنيون الناتج إلى خارج الغشاء بمساعدة مضاد ATP/ADP.
عند تبريده، يتم تحفيز إطلاق النورإبينفرين من نهايات الأعصاب الودية. ونتيجة لذلك، يتم تنشيط الليباز في الأنسجة الدهنية ويتم تعبئة الدهون من مستودعات الدهون. لا تعمل الأحماض الدهنية الحرة الناتجة كوقود فحسب، بل تعمل أيضًا كمنظم مهم لفصل التنفس والفسفرة.
ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات): جزيء يوفر الطاقة للخلايا الحية
أرز. 10.1. هيكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)
يؤدي تسرب الإلكترون إلى تكوين أنواع الأكسجين التفاعلية
يتم إطلاق ما يقرب من 2٪ من الإلكترونات من السلسلة التنفسية وترتبط مباشرة بالأكسجين، وتشكل أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). إذا تعطلت سلسلة الجهاز التنفسي، يتم إنتاج المزيد من أنواع الأكسجين التفاعلية. تؤدي هذه المواد إلى إتلاف الميتوكوندريا، مما يسبب اضطرابًا متزايدًا في السلسلة التنفسية. تنشأ حلقة مفرغة، ونتيجة لذلك، بسبب تراكم الأضرار المختلفة تحت تأثير ROS، تحدث شيخوخة الخلايا.
سموم الجهاز التنفسي
المواد التي تمنع تكوين ATP قد تكون سامة للجسم.
أميتالو روتينونكتلة نقل الإلكترون في المركب I. يتم عزل الروتينون من جذور نبات ديريس (Derris scandens) وغالبًا ما يستخدم كمبيد طبيعي للآفات. وهو ذو سمية منخفضة للإنسان لأنه يمتص بشكل سيئ في الجهاز الهضمي. ومع ذلك، فإن الروتينون سام للأسماك لأنه يتم امتصاصه بسرعة من خلال الخياشيم. بالإضافة إلى ذلك، مع التعرض طويل الأمد، يعتبر الروتينون خطيرًا أيضًا على البشر، لأنه يسبب التطور.
أنتيميسينكتل نقل الإلكترون في المجمع الثالث.
السيانيد (CN-), أول أكسيد الكربون (CO)و الأزيدات (N3-)تمنع معقدة الرابع. لذلك، أثناء التسمم بالسيانيد، يتم حظر عمليات التمثيل الغذائي الهوائية، على الرغم من حقيقة أن الدم مشبع بما فيه الكفاية بالأكسجين. بسبب توقف التمثيل الغذائي الهوائي، يأخذ الدم الوريدي لون الدم الشرياني. بالإضافة إلى ذلك، يحدث فرط التنفس بسبب تحفيز مركز الجهاز التنفسي بسبب تراكم حمض اللاكتيك.
أوليجوميسينيحجب قناة البروتون (F0 في المركب V) ويمنع البروتونات من العودة إلى المصفوفة. لذلك، يفقد ATP سينسيز (F1) قدرته على تصنيع ATP.
التخليق الحيوي لـ ATP بواسطة الفسفرة التأكسدية (الجزء الثاني)
في التين. يوضح الشكل 13.1 تدفق الإلكترونات والبروتونات في السلسلة التنفسية. من الإلكترونات والبروتونات ناد +خلال معقدة أناو من فادن2خلال المجمع الثانيتنتقل المجمع الثالث. ثم يتم نقل الإلكترونات إلى معقدة الرابعحيث تتحد مع الأكسجين. في هذا الوقت، يتم ضخ البروتونات من المصفوفة إلى الفضاء بين الغشاء بواسطة مضخات البروتون وإعادتها مرة أخرى إلى المصفوفة من خلال قناة البروتون للوحدة الفرعية F0 من سينسيز ATP ( معقد V). يؤدي تدفق البروتونات (تيار البروتون) إلى تشغيل المحرك الجزيئي - الوحدة الفرعية F1 من مجمع سينسيز ATPوتقوم بترتيب الجزيئات وحدة التغذية التلقائية للمستنداتو الجبهة الوطنيةبطريقة تتحد في الجزيئات اعبي التنس المحترفين.
سينسيز ATP- إنزيم (EC 3.6.3.14) ينفذ تفاعل تخليق ATP من ADP وأنيون الفوسفات، عادةً بسبب طاقة الإمكانات الكهروكيميائية عبر الغشاء للبروتونات (أي مزيج من تدرج البروتون والجهد الكهربائي)، و في بعض الكائنات الحية، بسبب الإمكانات الكهروكيميائية لأيونات الصوديوم، يتم تحويلها بالتالي إلى طاقة الروابط الكيميائية، والتي يمكن بعد ذلك استخدامها بواسطة الخلية في التفاعلات الكيميائية الحيوية. في الحالة التي يقوم فيها الإنزيم بالعملية العكسية - فهو يشكل تدرجًا بروتونيًا عبر الغشاء بسبب التحلل المائي ATP، يمكن تسميتها ATPases.يتم تثبيط عمل الإنزيم بواسطة المضاد الحيوي أوليغوميسين.
التسميات
يتكون ATP سينسيز F 1 F 0 من وحدتين فرعيتين:
- F 0 جزء من الغشاء المجمع
- F 1 جزء من المجمع في مصفوفة الميتوكوندريا أو السيتوبلازم البكتيري.
إن تسميات الوحدات الفرعية لمركب ATP معقدة للغاية ولها تاريخ طويل. F 1 - الكسر يحصل على اسمه من المصطلح الكسر 1 1")، وF0 (المكتوب في الأصل بالحرف "O" بدلاً من "صفر"، كما هو أكثر شيوعًا الآن) تمت تسميته بالجزء الذي يربط أوليجوميسين.
باتباع مثال الإنزيمات الأخرى، تتم تسمية معظم الوحدات الفرعية على شكل حروف يونانية (α إلى ε) ولاتينية (a إلى h). تلقت الوحدات الفرعية المتبقية أسماء معقدة:
- ف6 (من الكسر 6)
- OSCP (حساسية أوليجوميسين تمنح البروتين- "البروتين المساعد للحساسية للأوليغوميسين")
- A6L (سمي على اسم الجين الموجود في جينوم الميتوكوندريا الذي يشفر هذه الوحدة الفرعية)
- إذا1 (العامل المثبط 1 -"العامل المثبط 1")
التصميم ومبدأ التشغيل
يقع سينسيز ATP على أحد أغشية الخلايا ويتكون من مجال F 0 مغمور فيه ومجال F 1 يبرز في المصفوفة أو السيتوبلازم، متصل بواسطة الوحدة الفرعية γ. يشبه الإنزيم بشكل غامض الجسم الثمري للفطر (ولهذا السبب في الأدبيات المتعلقة ببيولوجيا الخلية، وخاصة القديمة منها، كان يُطلق على سينسيز ATP أحيانًا اسم "جسم الفطر").
يبلغ قطر مجمع F 1 حوالي 9-10 نانومتر، وعندما يتم تدمير "الساق" γ، يمكن أن ينفصل عن الغشاء، مكونًا F 1 -ATPase. يتكون F 1 من ثلاث وحدات فرعية α وثلاث وحدات فرعية، والتي تتحد في أزواج لتشكل سداسيات ذات ثلاثة مراكز نشطة. تتغير المطابقات عندما تدور الوحدة الفرعية γ مع مركب F 0. القوة الدافعة في هذه العملية هي نقل البروتون، والذي يتم تحفيزه بواسطة المجال F 0. وبالتالي، لا يشارك البروتون بشكل مباشر في تفاعل تكثيف ADP و أنيون الفوسفات. تجدر الإشارة إلى أن السداسيات α 3 β 3 نفسها لا تدور بالنسبة إلى "الجزء الثابت" a، نظرًا لأنها محتواة بواسطة الوحدة الفرعية δ، والتي بدورها ترتبط بالوحدة الفرعية a b ("الجذع") من F 1 (على الرغم من أن F 1 عادة ما يعتبر ثابتا، في الواقع، كلا المركبين يدوران بالنسبة لبعضهما البعض في اتجاهين متعاكسين).
مبدأ تشغيل مجمع F 1 هو أولاً ربط ADP والفوسفات بشكل ضعيف بالمركز النشط، والذي بعد ذلك يغير التشكل ويربطهما بإحكام، ونتيجة لذلك يحدث تخليق ATP تلقائيًا. في الشكل الثالث، يتم طرد ATP من الموقع النشط.
مبدأ تشغيل مجمع F0 (الذي يُطلق عليه غالبًا "أصغر محرك كهربائي دوار في العالم") هو أن يمر البروتون عبر قناة في "الجزء الثابت" (الوحدة الفرعية أ) قبل الارتباط بـ "الدوار" (الحلقة c). لتحرير بروتون على الجانب الآخر من الغشاء، من الضروري الخروج عبر قناة أخرى في الجزء الثابت، والتي يتم إزاحتها لمسافة ما، أي أنه لكي يخرج الجزء المتحرك، من الضروري الالتفاف بالنسبة للجزء الثابت . وبالتالي، يتم إنشاء فرق جهد أفقي في الجزء المتحرك، مما يؤدي إلى تدويره بالنسبة للجزء الثابت.
الدور الفسيولوجي
في دور ATPase، يتم استخدام الإنزيم بواسطة البكتيريا اللاهوائية لإنشاء إمكانات كهروكيميائية عبر الغشاء للبروتونات باستخدام طاقة ATP. ويستخدم هذا التدرج بدوره لتدوير الأسواط ونقل الأيونات إلى داخل الخلية.
في البكتيريا الهوائية، يُستخدم الإنزيم في المقام الأول لتخليق ATP، ويتم إنتاج الإمكانات الكهروكيميائية لهذا من خلال عمل سلسلة نقل الإلكترون التنفسية. بشكل عام، تسمى هذه العملية الفسفرة التأكسدية. يحدث في الميتوكوندريا في حقيقيات النوى، على الغشاء الداخلي الذي توجد فيه جزيئات سينسيز ATP، وتقع الوحدة الفرعية F 1 في المصفوفة، حيث تتم عملية تخليق ATP من ADP والفوسفات.
ويشارك تخليق ATP أيضًا في عملية التمثيل الضوئي. يتم تحديده على أغشية الثايلاكويد في البلاستيدات الخضراء، موجهًا الوحدة الفرعية F 1 إلى السدى. إن هيكل وآلية عمل الإنزيم في هذه الحالة متطابقة تقريبًا مع تلك الموجودة في الميتوكوندريا ATP سينسيز، ومع ذلك، فإن إمكانات البروتون الكهروكيميائية تتشكل في سلسلة نقل إلكترون مختلفة اختلافًا جذريًا.
