To se zove disimilacija. To je skup organskih spojeva koji oslobađaju određenu količinu energije.
Disimilacija se odvija u dvije ili tri faze, što ovisi o vrsti živih organizama. Dakle, kod aeroba se sastoji od pripremnog, bezkisičnog i kisikovog stadija. Kod anaeroba (organizama koji mogu funkcionirati u okruženju bez kisika), disimilacija ne zahtijeva posljednji korak.
Završna faza metabolizma energije u aeroba završava potpunom oksidacijom. U tom se slučaju molekule glukoze razgrađuju i proizvode energiju koja se djelomično koristi za stvaranje ATP-a.
Vrijedno je napomenuti da se sinteza ATP-a događa tijekom procesa fosforilacije, kada se anorganski fosfat dodaje ADP-u. U ovom slučaju, sintetizira se u mitohondrijima uz sudjelovanje ATP sintaze.
Koja se reakcija događa kada nastane ovaj energetski spoj?
Adenozin difosfat i fosfat spajaju se u ATP, za čije stvaranje je potrebno oko 30,6 kJ/mol. Adenozin trifosfat budući da se njegova značajna količina oslobađa tijekom hidrolize visokoenergetskih veza ATP-a.
Molekularni stroj koji je odgovoran za sintezu ATP-a je specifična sintaza. Sastoji se od dva dijela. Jedan od njih nalazi se u membrani i predstavlja kanal kroz koji protoni ulaze u mitohondrije. Time se oslobađa energija koju hvata drugi strukturni dio ATP-a koji se zove F1. Sadrži stator i rotor. Stator je nepomičan u membrani i sastoji se od delta regije, kao i alfa i beta podjedinica, koje su odgovorne za kemijsku sintezu ATP-a. Rotor sadrži gama kao i epsilon podjedinice. Ovaj dio vrti se koristeći energiju protona. Ova sintaza osigurava sintezu ATP-a ako se protoni iz vanjske membrane usmjere u sredinu mitohondrija.
Treba napomenuti da ćeliju karakterizira prostorni red. Produkti kemijskih međudjelovanja tvari raspoređuju se asimetrično (pozitivno nabijeni ioni idu u jednom smjeru, a negativno nabijene čestice idu u drugom smjeru), stvarajući elektrokemijski potencijal na membrani. Sastoji se od kemijske i električne komponente. Treba reći da upravo taj potencijal na površini mitohondrija postaje univerzalni oblik pohrane energije.
Ovaj obrazac je otkrio engleski znanstvenik P. Mitchell. Predložio je da se tvari nakon oksidacije ne pojavljuju kao molekule, već kao pozitivno i negativno nabijeni ioni, koji se nalaze na suprotnim stranama mitohondrijske membrane. Ova pretpostavka omogućila je razjašnjenje prirode stvaranja visokoenergetskih veza između fosfata tijekom sinteze adenozin trifosfata, kao i formuliranje kemiosmotske hipoteze za ovu reakciju.
ATP sintaza (H + -ATPaza) je sastavni protein unutarnje membrane mitohondrija. Nalazi se u neposrednoj blizini dišnog lanca. ATP sintaza sastoji se od 2 proteinska kompleksa, označenih F0 i F1.
U membranu je uronjen hidrofobni kompleks F0. Služi kao baza koja usidri ATP sintazu u membranu. Kompleks F0 sastoji se od nekoliko podjedinica koje tvore kanal kroz koji se protoni transportiraju u matriks.
Struktura i mehanizam djelovanja ATP sintaze. A - F 0 i F 1 - kompleksi ATP sintaze F 0 uključuje polipeptidne lance koji tvore kanal kroz koji prodire kroz membranu. Tim se kanalom protoni iz međumembranskog prostora vraćaju u matriks; Protein F1 strši u matriks s unutarnje strane membrane i sadrži 9 podjedinica, od kojih 6 čine 3 para α i β (“glava”), pokrivajući dio jezgre koji se sastoji od 3 podjedinice γ, δ i ε. γ i ε su pokretni i tvore štap koji rotira unutar nepomične glave i povezan je s F0 kompleksom. U aktivnim centrima koje tvore parovi podjedinica α i β dolazi do vezanja ADP-a, anorganskog fosfata (Pi) i ATP-a. B - Katalitički ciklus sinteze ATP-a uključuje 3 faze, od kojih se svaka odvija naizmjenično u 3 aktivna centra: 1 - vezanje ADP i H 3 PO 4; 2 - stvaranje fosfoanhidridne veze ATP-a; 3 - puštanje konačnog proizvoda. Svakim prijenosom protona kroz F0 kanal u matriks, sva 3 aktivna centra kataliziraju sljedeću fazu ciklusa. Energija elektrokemijskog potencijala troši se na okretanje štapića, zbog čega se konformacija α- i β-podjedinica ciklički mijenja i dolazi do sinteze ATP-a.
3. Koeficijent oksidativne fosforilacije
Oksidacija molekule NADH u CPE je popraćena stvaranjem 3 molekule ATP; elektroni iz FAD-ovisnih dehidrogenaza ulaze u CPE na KoQ, zaobilazeći prvu točku konjugacije. Stoga nastaju samo 2 molekule ATP-a. Omjer količine fosforne kiseline (P) korištene za fosforilaciju ADP-a prema atomu kisika (O) apsorbiranom tijekom disanja naziva se koeficijent oksidativne fosforilacije i označava se P/O. Stoga je za NADH P/O = 3, za sukcinat P/O - 2. Ove vrijednosti odražavaju teorijski maksimum sinteze ATP-a; zapravo je ta vrijednost manja.
49. Regulacija transportnog lanca elektrona (respiratorna kontrola). Disocijacija tkivnog disanja i oksidativne fosforilacije. Termoregulacijska funkcija tkivnog disanja. Termogena funkcija energetskog metabolizma u smeđem masnom tkivu.
4. Kontrola disanja
Oksidacija supstrata i fosforilacija ADP-a u mitohondrijima su usko povezani. Stopa iskorištavanja ATP-a regulira brzinu protoka elektrona u CPE. Ako se ATP ne koristi i njegova koncentracija u stanicama raste, tada prestaje dotok elektrona do kisika. S druge strane, potrošnja ATP-a i njegova pretvorba u ADP povećavaju oksidaciju supstrata i unos kisika. Ovisnost intenziteta disanja mitohondrija o koncentraciji ADP-a naziva se respiracijska kontrola. Respiratorni kontrolni mehanizam karakterizira visoka preciznost i važan je jer kao rezultat njegovog djelovanja brzina sinteze ATP-a odgovara energetskim potrebama stanice. U stanici nema rezervi ATP-a. Relativne koncentracije ATP/ADP u tkivima variraju unutar uskih granica, dok potrošnja energije stanice, tj. frekvencija rotacije ATP i ADP ciklusa može se promijeniti desetke puta.
B. Transport ATP-a i ADP-a kroz membrane mitohondrija
U većini eukariotskih stanica sinteza glavne količine ATP-a odvija se unutar mitohondrija, a glavni potrošači ATP-a nalaze se izvan njega. S druge strane, u mitohondrijskom matriksu mora se održavati dovoljna koncentracija ADP-a. Te nabijene molekule ne mogu same proći kroz lipidni sloj membrane. Unutarnja membrana je nepropusna za nabijene i hidrofilne tvari, ali sadrži određeni broj prijenosnika koji takve molekule selektivno prenose iz citosola u matriks i iz matriksa u citosol.
Membrana sadrži ATP/ADP antiporter protein koji prenosi ove metabolite kroz membranu (Slika 6-16). Molekula ADP ulazi u matriks mitohondrija samo ako molekula ATP napusti matriks.
Pokretačka sila takve izmjene je membranski potencijal prijenosa elektrona duž CPE. Izračuni pokazuju da se oko četvrtina slobodne energije protonskog potencijala troši na transport ATP-a i ADP-a. Drugi prijenosnici također mogu koristiti energiju elektrokemijskog gradijenta. Tako se anorganski fosfat, neophodan za sintezu ATP-a, prenosi unutar mitohondrija. Izravni izvor slobodne energije za transport Ca 2+ u matricu također je protonski potencijal, a ne energija ATP-a.
B. Odvajanje disanja i fosforilacije
Neke kemikalije (protonofori) mogu transportirati protone ili druge ione (ionofore) iz intermembranskog prostora kroz membranu u matriks, zaobilazeći protonske kanale ATP sintaze. Kao rezultat toga, elektrokemijski potencijal nestaje i sinteza ATP-a prestaje. Taj se fenomen naziva odvajanje respiracije i fosforilacije. Kao rezultat odvajanja, količina ATP-a se smanjuje, a ADP povećava. U tom se slučaju povećava brzina oksidacije NADH i FADH 2, a povećava se i količina apsorbiranog kisika, ali se energija oslobađa u obliku topline, a omjer P/O naglo pada. U pravilu, razdvojitelji su lipofilne tvari koje lako prolaze kroz lipidni sloj membrane. Jedna od tih tvari je 2,4-dinitrofenol, koji lako prelazi iz ioniziranog u neionizirani oblik tako što veže proton u međumembranskom prostoru i prenosi ga u matriks.
Primjeri razdvojitelja mogu biti i neki lijekovi, npr. dikumarol - antikoagulans ili metaboliti koji se stvaraju u tijelu, bilirubin - produkt katabolizma, tiroksin - hormon štitnjače. Sve ove tvari pokazuju učinak razdvajanja samo pri visokim koncentracijama.
D. Termoregulacijska funkcija središnjeg živčanog sustava
Otprilike 40-45% ukupne energije elektrona prenesenih kroz CPE troši se na sintezu molekula ATP-a; približno 25% troši se na rad prijenosa tvari kroz membranu. Ostatak energije raspršuje se kao toplina, a toplokrvne životinje je koriste za održavanje tjelesne temperature. Osim toga, može doći do dodatnog stvaranja topline kada su disanje i fosforilacija odvojeni. Odvajanje oksidativne fosforilacije može biti biološki korisno. Omogućuje stvaranje topline za održavanje tjelesne temperature kod novorođenčadi, kod životinja koje hiberniraju i kod svih sisavaca u procesu prilagodbe na hladnoću. Kod novorođenčadi, kao i kod životinja koje hiberniraju, postoji posebno tkivo koje je specijalizirano za proizvodnju topline odvajanjem disanja i fosforilacije - smeđa mast. Smeđa mast sadrži mnogo mitohondrija. Postoji veliki višak respiratornih enzima u membrani mitohondrija u usporedbi s ATP sintazom. Oko 10% svih proteina je takozvani uncoupling protein (RB-1) - termogenin. Smeđa mast je prisutna u novorođenčadi, ali je praktički odsutna u odraslih. Posljednjih godina pojavile su se činjenice koje ukazuju na postojanje u mitohondrijima različitih organa i tkiva sisavaca razdvojnih proteina, sličnih strukturi RB-1 smeđeg masnog tkiva. Po svojoj strukturi, termogenin je blizak ATP/ADP antiporteru, ali nije sposoban za transport nukleotida, iako zadržava sposobnost transporta aniona masnih kiselina, koji služe kao razdvojitelji.
S vanjske strane membrane, anion masne kiseline veže proton i u tom obliku prolazi kroz membranu; na unutarnjoj strani membrane disocira, otpuštajući proton u matricu i time smanjujući protonski gradijent. Rezultirajući anion vraća se na vanjsku stranu membrane uz pomoć ATP/ADP antiportera.
Kada se ohladi, potiče se otpuštanje norepinefrina iz završetaka simpatičkih živaca. Zbog toga se u masnom tkivu aktivira lipaza i mobilizira se mast iz masnih depoa. Dobivene slobodne masne kiseline služe ne samo kao "gorivo", već i kao važan regulator odvajanja disanja i fosforilacije.
ATP (adenozin trifosfat): molekula koja daje energiju živim stanicama
Riža. 10.1. Struktura adenozin trifosfata (ATP)
Propuštanje elektrona dovodi do stvaranja reaktivnih spojeva kisika
Otprilike 2% elektrona oslobađa se iz respiratornog lanca i veže se izravno na kisik, tvoreći reaktivne kisikove vrste (ROS). Ako je dišni lanac poremećen, proizvodi se više ROS-a. Te tvari oštećuju mitohondrije, uzrokujući sve veći poremećaj dišnog lanca. Nastaje začarani krug, a kao posljedica, zbog nakupljanja raznih oštećenja pod utjecajem ROS-a, dolazi do starenja stanica.
Respiratorni otrovi
Tvari koje inhibiraju stvaranje ATP-a potencijalno su toksične za tijelo.
Amytal I rotenon blokiraju prijenos elektrona u kompleksu I. Rotenon je izoliran iz korijena biljke derris (Derris scandens) i često se koristi kao prirodni pesticid. Nisko je toksičan za ljude jer se slabo apsorbira u gastrointestinalnom traktu. Međutim, rotenon je toksičan za ribe jer se brzo apsorbira kroz škrge. Osim toga, s dugotrajnom izloženošću, rotenon je također opasan za ljude, jer uzrokuje razvoj.
Antimicin blokira transport elektrona u kompleksu III.
Cijanid (CN-), ugljikov monoksid (CO) I Azidi (N3-) inhibiraju kompleks IV. Stoga, tijekom trovanja cijanidom, aerobni metabolički procesi su blokirani, unatoč činjenici da je krv dovoljno zasićena kisikom. Zbog prestanka aerobnog metabolizma venska krv poprima boju arterijske krvi. Uz to dolazi do hiperventilacije jer dolazi do stimulacije dišnog centra zbog nakupljanja mliječne kiseline.
Oligomicin blokira protonski kanal (F0 u kompleksu V) i sprječava protone da se vrate u matriks. Zbog toga ATP sintaza (F1) gubi sposobnost sintetiziranja ATP-a.
Biosinteza ATP-a oksidativnom fosforilacijom (II. dio)
Na sl. Slika 13.1 prikazuje tok elektrona i protona u dišnom lancu. Elektroni i protoni iz NADH+ kroz kompleks I i od FADN2 kroz kompleks II prenose se kompleks III. Elektroni se zatim transportiraju u kompleks IV, gdje se spajaju s kisikom. U to vrijeme, protoni se pumpaju iz matriksa u intermembranski prostor pomoću protonskih pumpi i vraćaju se natrag u matriks kroz protonski kanal F0 podjedinice ATP sintaze ( kompleks V). Protok protona (protonska struja) pokreće molekularni motor - F1 podjedinica kompleksa ATP sintaze, a ona raspoređuje molekule ADF I Fn na način da se spajaju u molekule ATP.
ATP sintaza- enzim (EC 3.6.3.14) koji provodi reakciju sinteze ATP-a iz ADP-a i fosfatnog aniona, obično zahvaljujući energiji transmembranskog elektrokemijskog potencijala protona (to jest, kombinacija gradijenta protona i električnog napona), i u nekim organizmima zbog elektrokemijskog potencijala natrijevih iona, pretvarajući ga tako se pretvara u energiju kemijskih veza, koju zatim stanica može koristiti u biokemijskim reakcijama. U slučaju kada enzim provodi obrnuti proces - formira transmembranski protonski gradijent zbog hidrolize ATP-a, može se nazv. ATPaze. Djelovanje enzima inhibira antibiotik oligomicin.
Nomenklatura
ATP sintaza F 1 F 0 sastoji se od dvije podjedinice:
- F 0 membranski dio kompleksa
- F 1 dio kompleksa u matriksu mitohondrija ili citoplazmi bakterije.
Nomenklatura podjedinica ATP sintaze prilično je složena i ima dugu povijest. F 1 -razlomak je dobio ime po terminu razlomak 1 1"), a F0 (izvorno napisan s indeksom "O", a ne s "nulom", kao što je sada češće) imenovan je kao frakcija koja veže oligomicin.
Po uzoru na druge enzime, većina podjedinica naziva se grčkim (α do ε) i latinskim (a do h) slovima. Preostale podjedinice dobile su složena imena:
- F 6 (od razlomak 6)
- OSCP (protein koji prenosi osjetljivost na oligomicin- "pomoćni protein osjetljivosti na oligomicin")
- A6L (nazvan po genu u mitohondrijskom genomu koji kodira ovu podjedinicu)
- AKO1 (inhibicijski faktor 1 -"inhibicijski faktor 1")
Dizajn i princip rada
ATP sintaza nalazi se na jednoj od staničnih membrana i sastoji se od F 0 domene uronjene u nju i F 1 domene koja strši u matriks ili citoplazmu, a povezana je γ podjedinicom. Enzim neodređeno podsjeća na plodno tijelo gljive (zbog čega se u literaturi o staničnoj biologiji, posebno onoj starijoj, ATP sintaza ponekad nazivala "tijelom gljive").
Kompleks F 1 ima promjer od oko 9-10 nm i kada se γ "noga" uništi, može se odvojiti od membrane, stvarajući F 1 -ATPazu. F 1 sastoji se od tri α i tri β podjedinice, koje se spajaju u parove i tvore heksamere s tri aktivna centra. Konformacije se mijenjaju kada se γ podjedinica okreće zajedno s kompleksom F 0. Pokretačka sila u ovom procesu je prijenos protona, koji je kataliziran domenom F 0. Dakle, proton nije izravno uključen u reakciju kondenzacije ADP-a i fosfatni anion. Treba napomenuti da se sam α 3 β 3 heksamer ne okreće u odnosu na "stator" a, budući da ga sadrži δ podjedinica, koja je pak povezana s a podjedinicom b ("stablo") F 1 kompleks (iako se F 1 obično smatra stacionarnim, u stvari, oba kompleksa rotiraju jedan u odnosu na drugi u suprotnim smjerovima).
Princip rada F 1 kompleksa je da najprije slabo veže ADP i fosfat za aktivno središte, koji zatim mijenja konformaciju i čvrsto ih veže, uslijed čega dolazi do spontane sinteze ATP-a. U trećoj konformaciji ATP se izbacuje iz aktivnog mjesta.
Princip rada kompleksa F0 (često nazivanog "najmanji rotacijski električni motor na svijetu") je da proton prođe kroz kanal u "statoru" (podjedinica a) prije nego što se veže u "rotor" (c-prsten). Za oslobađanje protona s druge strane membrane potrebno je izaći kroz drugi kanal u statoru koji je pomaknut za neku udaljenost, odnosno za izlazak rotora POTREBNO je okrenuti se u odnosu na stator . Tako se u rotoru stvara horizontalna razlika potencijala, okrećući ga u odnosu na stator.
Fiziološka uloga
U ulozi ATP-aze, enzim koriste anaerobne bakterije za stvaranje transmembranskog elektrokemijskog potencijala protona koristeći energiju ATP-a. Ovaj se gradijent, pak, koristi za rotaciju bičeva i transport iona u stanicu.
U aerobnim bakterijama, enzim se primarno koristi za sintezu ATP-a, a elektrokemijski potencijal za to nastaje funkcioniranjem respiratornog transportnog lanca elektrona. Općenito, ovaj se proces naziva oksidativna fosforilacija. Nastaje u mitohondrijima eukariota na čijoj unutarnjoj membrani se nalaze molekule ATP sintaze, a F 1 podjedinica se nalazi u matriksu, gdje se odvija proces sinteze ATP-a iz ADP-a i fosfata.
Sinteza ATP-a također je uključena u proces fotosinteze; lokaliziran je na tilakoidnim membranama kloroplasta, usmjeravajući F 1 podjedinicu u stromu. Struktura i mehanizam rada enzima u ovom slučaju gotovo su identični onima za mitohondrijsku ATP sintazu, međutim, elektrokemijski potencijal protona formira se u bitno drugačijem transportnom lancu elektrona.
