Se numește disimilare. Este o colecție de compuși organici care eliberează o anumită cantitate de energie.
Disimilarea are loc în două sau trei etape, care depinde de tipul de organisme vii. Astfel, în aerobi este alcătuit din etape pregătitoare, fără oxigen și cu oxigen. La anaerobi (organisme care sunt capabile să funcționeze într-un mediu fără oxigen), disimilarea nu necesită ultimul pas.
Etapa finală a metabolismului energetic în aerobi se termină cu oxidarea completă. În acest caz, moleculele de glucoză sunt descompuse pentru a produce energie, care este parțial utilizată pentru formarea ATP.
Este de remarcat faptul că sinteza ATP are loc în timpul procesului de fosforilare, când se adaugă fosfat anorganic la ADP. În acest caz, este sintetizat în mitocondrii cu participarea ATP sintetazei.
Ce reacție are loc când se formează acest compus energetic?
Adenozin difosfatul și fosfatul se combină pentru a forma ATP, a cărui formare necesită aproximativ 30,6 kJ/mol. Adenozin trifosfat, deoarece o cantitate semnificativă din acesta este eliberată în timpul hidrolizei legăturilor de mare energie ale ATP.
Mașina moleculară care este responsabilă pentru sinteza ATP este o sintază specifică. Este format din două părți. Unul dintre ei este situat în membrană și este un canal prin care protonii pătrund în mitocondrii. Aceasta eliberează energie, care este capturată de o altă parte structurală a ATP numită F1. Conține un stator și un rotor. Statorul este staționar în membrană și constă dintr-o regiune delta, precum și subunități alfa și beta, care sunt responsabile pentru sinteza chimică a ATP. Rotorul conține subunități gamma și epsilon. Această parte se rotește folosind energia protonilor. Această sintază asigură sinteza ATP dacă protonii din membrana exterioară sunt direcționați către mijlocul mitocondriilor.
Trebuie remarcat faptul că celula este caracterizată de ordine spațială. Produsele interacțiunilor chimice ale substanțelor sunt distribuite asimetric (ionii încărcați pozitiv merg într-o direcție, iar particulele încărcate negativ merg în cealaltă direcție), creând un potențial electrochimic pe membrană. Este format dintr-o componentă chimică și electrică. Trebuie spus că acest potențial de la suprafața mitocondriilor devine o formă universală de stocare a energiei.
Acest model a fost descoperit de omul de știință englez P. Mitchell. El a sugerat că substanțele după oxidare nu apar ca molecule, ci ca ioni încărcați pozitiv și negativ, care sunt localizați pe părțile opuse ale membranei mitocondriale. Această ipoteză a făcut posibilă clarificarea naturii formării legăturilor de înaltă energie între fosfați în timpul sintezei adenozin trifosfat, precum și formularea unei ipoteze chemiosmotice pentru această reacție.
ATP sintaza (H + -ATPaza) este o proteină integrală a membranei interioare a mitocondriilor. Este situat în imediata apropiere a lanțului respirator. ATP sintetaza constă din 2 complexe proteice, denumite F0 și F1.
Complexul hidrofob F0 este scufundat în membrană. Acesta servește ca bază care ancorează ATP sintaza în membrană. Complexul F0 este format din mai multe subunități care formează un canal prin care protonii sunt transportați în matrice.
Structura și mecanismul de acțiune al ATP sintetazei. Complexe A - F 0 şi F 1 - ATP sintetază F 0 include lanţuri polipeptidice care formează un canal care pătrunde prin membrană. Prin acest canal, protonii revin în matrice din spațiul intermembranar; Proteina F1 iese în matrice din partea interioară a membranei și conține 9 subunități, dintre care 6 formează 3 perechi α și β („cap”), acoperind partea centrală, care constă din 3 subunități γ, δ și ε. γ și ε sunt mobile și formează o tijă care se rotește în interiorul capului staționar și este conectată la complexul F0. În centrii activi formați din perechi de subunități α și β are loc legarea ADP, fosfatului anorganic (Pi) și ATP. B - Ciclul catalitic al sintezei ATP cuprinde 3 faze, fiecare dintre ele se desfășoară alternativ în 3 centri activi: 1 - legarea ADP și a H 3 PO 4; 2 - formarea legăturii fosfoanhidride a ATP; 3 - eliberarea produsului final. Cu fiecare transfer de protoni prin canalul F0 în matrice, toți cei 3 centri activi catalizează următoarea fază a ciclului. Energia potențialului electrochimic este cheltuită pentru rotirea tijei, în urma căreia conformația subunităților α și β se modifică ciclic și are loc sinteza ATP.
3. Coeficientul de fosforilare oxidativă
Oxidarea moleculei NADH în CPE este însoțită de formarea a 3 molecule de ATP; electronii din dehidrogenazele dependente de FAD intră în CPE la KoQ, ocolind primul punct de conjugare. Prin urmare, se formează doar 2 molecule de ATP. Raportul dintre cantitatea de acid fosforic (P) folosit pentru fosforilarea ADP și atomul de oxigen (O) absorbit în timpul respirației se numește coeficient de fosforilare oxidativă și este notat P/O. Prin urmare, pentru NADH P/O = 3, pentru succinat P/O - 2. Aceste valori reflectă maximul teoretic al sintezei ATP, de fapt, această valoare este mai mică.
49.Reglarea lanțului de transport de electroni (controlul respirator). Disociarea respirației tisulare și fosforilarea oxidativă. Funcția de termoreglare a respirației tisulare. Funcția termogenă a metabolismului energetic în țesutul adipos brun.
4.Controlul respirator
Oxidarea substraturilor și fosforilarea ADP în mitocondrii sunt strâns cuplate. Rata de utilizare a ATP reglează rata fluxului de electroni în CPE. Dacă ATP nu este utilizat și concentrația acestuia în celule crește, atunci fluxul de electroni către oxigen se oprește. Pe de altă parte, consumul de ATP și conversia acestuia în ADP crește oxidarea substraturilor și absorbția de oxigen. Dependența intensității respirației mitocondriale de concentrația de ADP se numește control respirator. Mecanismul de control respirator se caracterizează printr-o precizie ridicată și este important, deoarece, ca urmare a acțiunii sale, rata de sinteză a ATP corespunde nevoilor de energie ale celulei. Nu există rezerve de ATP în celulă. Concentrațiile relative de ATP/ADP din țesuturi variază în limite înguste, în timp ce consumul de energie al celulei, adică. frecvența de rotație a ciclului ATP și ADP se poate schimba de zeci de ori.
B. Transportul ATP și ADP prin membranele mitocondriale
În majoritatea celulelor eucariote, sinteza cantității principale de ATP are loc în interiorul mitocondriilor, iar principalii consumatori de ATP sunt localizați în afara acestuia. Pe de altă parte, o concentrație suficientă de ADP trebuie menținută în matricea mitocondrială. Aceste molecule încărcate nu pot trece singure prin stratul lipidic al membranei. Membrana interioară este impermeabilă la substanțele încărcate și hidrofile, dar conține un anumit număr de transportatori care transferă selectiv astfel de molecule din citosol în matrice și din matrice în citosol.
Membrana conține o proteină antiporter ATP/ADP care transportă acești metaboliți prin membrană (Fig. 6-16). Molecula ADP intră în matricea mitocondrială numai dacă molecula ATP părăsește matricea.
Forța motrice pentru un astfel de schimb este potențialul de membrană al transferului de electroni de-a lungul CPE. Calculele arată că aproximativ un sfert din energia liberă a potențialului de protoni este cheltuită pentru transportul ATP și ADP. Alți transportatori pot folosi și energia gradientului electrochimic. Așa se transferă în interiorul mitocondriilor fosfatul anorganic, necesar pentru sinteza ATP. Sursa directă de energie liberă pentru transportul Ca 2+ în matrice este, de asemenea, potențialul de protoni, și nu energia ATP.
B. Decuplarea respirației și fosforilarea
Unele substanțe chimice (protonofori) pot transporta protoni sau alți ioni (ionofori) din spațiul intermembranar prin membrană în matrice, ocolind canalele de protoni ale ATP sintazei. Ca urmare, potențialul electrochimic dispare și sinteza ATP se oprește. Acest fenomen se numește decuplare a respirației și fosforilare. Ca urmare a decuplării, cantitatea de ATP scade și ADP crește. În acest caz, viteza de oxidare a NADH și FADH 2 crește, iar cantitatea de oxigen absorbită crește, dar energia este eliberată sub formă de căldură, iar raportul P/O scade brusc. De regulă, decuplatoarele sunt substanțe lipofile care trec ușor prin stratul lipidic al membranei. Una dintre aceste substanțe este 2,4-dinitrofenolul, care trece cu ușurință de la forma ionizată la forma neionizată prin atașarea unui proton în spațiul intermembranar și transferul acestuia în matrice.
Exemple de decuplare pot fi, de asemenea, unele medicamente, de exemplu, dicumarol - un anticoagulant sau metaboliți care se formează în organism, bilirubina - un produs al catabolismului, tiroxina - un hormon tiroidian. Toate aceste substanțe prezintă un efect de decuplare numai la concentrații mari.
D. Funcția de termoreglare a sistemului nervos central
Aproximativ 40-45% din energia totală a electronilor transferați prin CPE este cheltuită pentru sinteza moleculelor de ATP; aproximativ 25% este cheltuită pentru munca de transport a substanțelor prin membrană. Restul energiei este disipată sub formă de căldură și este folosită de animalele cu sânge cald pentru a menține temperatura corpului. În plus, generarea suplimentară de căldură poate apărea atunci când respirația și fosforilarea sunt decuplate. Decuplarea fosforilării oxidative poate fi benefică din punct de vedere biologic. Vă permite să generați căldură pentru a menține temperatura corpului la nou-născuți, la animalele care hibernează și la toate mamiferele aflate în proces de adaptare la frig. La nou-născuți, precum și la animalele care hibernează, există un țesut special care este specializat în producerea de căldură prin decuplarea respirației și fosforilare - grăsimea brună. Grăsimea brună conține multe mitocondrii. Există un mare exces de enzime respiratorii în membrana mitocondrială în comparație cu ATP sintaza. Aproximativ 10% din toate proteinele sunt așa-numita proteină de decuplare (RB-1) - termogenină. Grăsimea brună este prezentă la nou-născuți, dar este practic absentă la adulți. În ultimii ani, au apărut fapte care indică existența în mitocondrii a diferitelor organe și țesuturi ale mamiferelor a proteinelor de decuplare, similare ca structură cu RB-1 a țesutului adipos brun. În structura sa, termogenina este aproape de antiporterul ATP/ADP, dar nu este capabilă să transporte nucleotide, deși își păstrează capacitatea de a transporta anioni de acizi grași, care servesc ca decuplatori.
Pe exteriorul membranei, anionul de acid gras ataseaza un proton si traverseaza membrana sub aceasta forma; pe partea interioară a membranei se disociază, eliberând un proton în matrice și reducând astfel gradientul de protoni. Anionul rezultat revine în exteriorul membranei cu ajutorul antiporterului ATP/ADP.
Când este răcită, este stimulată eliberarea de norepinefrină de la terminațiile nervilor simpatici. Ca urmare, lipaza este activată în țesutul adipos și grăsimea este mobilizată din depozitele de grăsime. Acizii grași liberi rezultați nu servesc doar ca „combustibil”, ci și ca un regulator important al decuplării respirației și fosforilării.
ATP (adenozin trifosfat): o moleculă care furnizează energie celulelor vii
Orez. 10.1. Structura adenozin trifosfatului (ATP)
Scurgerea de electroni duce la formarea de specii reactive de oxigen
Aproximativ 2% din electroni sunt eliberați din lanțul respirator și se leagă direct de oxigen, formând specii reactive de oxigen (ROS). Dacă lanțul respirator este întrerupt, se produc mai multe ROS. Aceste substanțe dăunează mitocondriilor, provocând perturbarea tot mai mare a lanțului respirator. Apare un cerc vicios și, ca urmare, datorită acumulării diferitelor daune sub influența ROS, are loc îmbătrânirea celulară.
Otrăvuri respiratorii
Substanțele care inhibă formarea ATP sunt potențial toxice pentru organism.
AmytalȘi rotenonă blochează transportul electronilor în complexul I. Rotenona este izolată din rădăcinile plantei derris (Derris scandens) și este adesea folosită ca pesticid natural. Are toxicitate scăzută pentru oameni, deoarece este slab absorbit în tractul gastrointestinal. Cu toate acestea, rotenona este toxică pentru pești, deoarece este rapid absorbită prin branhii. În plus, cu expunerea pe termen lung, rotenona este și periculoasă pentru oameni, deoarece provoacă dezvoltarea.
Antimicină blochează transportul de electroni în complexul III.
Cianură (CN-), monoxid de carbon (CO)Și azide (N3-) inhiba complexul IV. Prin urmare, în timpul otrăvirii cu cianură, procesele metabolice aerobe sunt blocate, în ciuda faptului că sângele este suficient de saturat cu oxigen. Datorită încetării metabolismului aerob, sângele venos capătă culoarea sângelui arterial. În plus, hiperventilația apare deoarece centrul respirator este stimulat din cauza acumulării de acid lactic.
Oligomicină blochează canalul de protoni (F0 în complexul V) și împiedică protonii să revină în matrice. Prin urmare, ATP sintaza (F1) își pierde capacitatea de a sintetiza ATP.
Biosinteza ATP prin fosforilare oxidativă (Partea a II-a)
În fig. Figura 13.1 prezintă fluxul de electroni și protoni în lanțul respirator. Electroni și protoni din NADH+ prin complexul I iar din FADN2 prin complexul II sunt transmise complex III. Electronii sunt apoi transportați la complexul IV, unde se combină cu oxigenul. În acest moment, protonii sunt pompați din matrice în spațiul intermembranar de către pompele de protoni și returnați înapoi în matrice prin canalul de protoni al subunității F0 a ATP sintazei ( complexul V). Fluxul de protoni (curent de protoni) pornește motorul molecular - Subunitatea F1 a complexului ATP sintetaza, iar ea aranjează moleculele ADFȘi Fnîn așa fel încât se combină în molecule ATP.
ATP sintetaza- o enzimă (EC 3.6.3.14) care realizează reacția de sinteză a ATP din ADP și anionul fosfat, de obicei datorită energiei potențialului electrochimic transmembranar al protonilor (adică o combinație de gradient de protoni și tensiune electrică) și la unele organisme datorită potențialului electrochimic al ionilor de sodiu, conversia acestuia este astfel convertită în energia legăturilor chimice, care poate fi apoi folosită de celulă în reacții biochimice. În cazul în care enzima efectuează procesul invers - formează un gradient de protoni transmembranar datorită hidrolizei ATP, poate fi numită ATPazele. Acțiunea enzimei este inhibată de antibioticul oligomicină.
Nomenclatură
ATP sintetaza F 1 F 0 constă din două subunități:
- F 0 membrană parte a complexului
- F 1 parte a complexului în matricea mitocondrială sau citoplasma bacteriană.
Nomenclatura subunităților ATP sintazei este destul de complexă și are o istorie lungă. F 1 -fracție își ia numele de la termen fracția 1 1"), iar F0 (scris inițial cu indicele "O" mai degrabă decât cu "zero", așa cum este mai comun acum) a fost numit ca fracțiunea care leagă oligomicină.
Urmând exemplul altor enzime, majoritatea subunităților sunt denumite sub formă de litere grecești (α la ε) și latine (a la h). Subunitățile rămase au primit nume complexe:
- F 6 (de la fracția 6)
- OSCP (proteina de conferire a sensibilității la oligomicină- „proteina auxiliară a sensibilității la oligomicină”)
- A6L (numit după gena din genomul mitocondrial care codifică această subunitate)
- IF1 (factor inhibitor 1 -„factor inhibitor 1”)
Proiectare și principiu de funcționare
ATP sintetaza este situată pe una dintre membranele celulare și constă dintr-un domeniu F 0 scufundat în acesta și un domeniu F 1 care iese în matrice sau citoplasmă, conectat prin subunitatea γ. Enzima seamănă vag cu corpul fructifer al unei ciuperci (de aceea în literatura de biologie celulară, în special în cele mai vechi, ATP sintaza a fost numită uneori „corp de ciupercă”).
Complexul F1 are un diametru de aproximativ 9-10 nm și atunci când „piciorul” γ este distrus, se poate separa de membrană, formând F1-ATPaza. F 1 constă din trei subunități α și trei β, care se combină în perechi pentru a forma hexameri cu trei centri activi. Conformațiile se modifică atunci când subunitatea γ se rotește împreună cu complexul F 0. Forța motrice în acest proces este transferul de protoni, care este catalizat de domeniul F 0. Astfel, protonul nu este implicat direct în reacția de condensare a ADP și a anion fosfat. Trebuie remarcat faptul că hexamerii α 3 β 3 în sine nu se rotesc în raport cu „statorul” a, deoarece este conținut de subunitatea δ, care la rândul ei este asociată cu subunitatea a b („tulpina”) a lui F. 1 complex (deși F 1 este de obicei considerat staționar, de fapt, ambele complexe se rotesc unul față de celălalt în direcții opuse).
Principiul de funcționare al complexului F 1 este mai întâi legarea slabă a ADP și a fosfatului de centrul activ, care apoi își schimbă conformația și le leagă strâns, în urma căreia sinteza ATP are loc spontan. În a treia conformație, ATP este expulzat din locul activ.
Principiul de funcționare al complexului F0 (numit adesea „cel mai mic motor electric rotativ din lume”) este ca un proton să treacă printr-un canal din „stator” (subunitatea a) înainte de a se lega în „rotor” (c-ring). Pentru a elibera un proton de cealaltă parte a membranei, este necesar să ieșiți printr-un alt canal din stator, care este deplasat cu o anumită distanță, adică pentru ca rotorul să iasă, este NECESAR să se întoarcă în raport cu statorul. . Astfel, în rotor se creează o diferență de potențial orizontală, rotindu-l față de stator.
Rolul fiziologic
În rolul ATPazei, enzima este folosită de bacteriile anaerobe pentru a crea un potențial electrochimic transmembranar al protonilor folosind energia ATP. Acest gradient, la rândul său, este folosit pentru a roti flagelul și a transporta ionii în celulă.
În bacteriile aerobe, enzima este folosită în primul rând pentru a sintetiza ATP, potențialul electrochimic pentru aceasta fiind produs de funcționarea lanțului respirator de transport de electroni. În general, acest proces se numește fosforilare oxidativă. Are loc în mitocondriile eucariotelor, pe membrana interioară a căreia se află moleculele de ATP sintaza, iar subunitatea F 1 este situată în matrice, unde are loc procesul de sinteză a ATP din ADP și fosfat.
Sinteza ATP este implicată și în procesul de fotosinteză; este localizat pe membranele tilacoide ale cloroplastelor, orientând subunitatea F 1 în stromă. Structura și mecanismul de funcționare al enzimei în acest caz este aproape identică cu cele pentru ATP sintetaza mitocondrială, cu toate acestea, potențialul electrochimic al protonului este format într-un lanț de transport de electroni fundamental diferit.
