Наномоторчик атф-синтази. Синтез атф регулюється Синтез атф відноситься

Називають дисиміляцією. Він є сукупністю органічних сполук, у яких виділяється певну кількість енергії.

Дисиміляція проходить у два чи три етапи, що залежить від виду живих організмів. Так, у аеробів складається з підготовчого, безкисневого та кисневого етапів. У анаеробів (організми, які здатні функціонувати в безкисневому середовищі) дисиміляція не потребує останнього етапу.

Кінцева стадія енергетичного обміну у аеробів закінчується повним окисненням. При цьому відбувається розщеплення молекул глюкози з утворенням енергії, яка частково йде на утворення АТФ.

Слід зазначити, що синтез АТФ відбувається у процесі фосфорилювання, коли до АДФ приєднується неорганічний фосфат. При цьому синтезується в мітохондріях за участю АТФ-синтази.

Яка реакція відбувається при утворенні цієї енергетичної сполуки?

Аденозиндифосфат та фосфат з'єднуються з утворенням АТФ та на освіту якої витрачається близько 30,6 кДж/моль. Аденозинтрифосфат оскільки значна його кількість вивільняється при гідролізі саме макроергічних зв'язків АТФ.

Молекулярною машиною, що відповідає за синтез АТФ, є специфічна синтаза. Вона складається із двох частин. Одна з них знаходиться в мембрані і являє собою канал, яким протони потрапляють всередину мітохондрії. При цьому вивільняється енергія, яка уловлюється іншою структурною частиною АТФ під назвою F1. Вона містить статор та ротор. Статор у мембрані розміщується нерухомо і складається з дельта-області, а також альфа- та бета-субодиниць, які відповідають за хімічний синтез АТФ. Ротор містить гамма-, а також епсілон-субодиниці. Ця частина обертається, використовуючи енергію протонів. Ця синтаза забезпечує синтез АТФ, якщо протони із зовнішньої мембрани спрямовані до середини мітохондрій.

Слід зазначити, що у клітині властива просторова впорядкованість. Продукти хімічних взаємодій речовин розподіляються асиметрично (позитивно заряджені іони йдуть одну сторону, а негативно заряджені частинки прямують в інший бік), створюючи на мембрані електрохімічний потенціал. Він складається з хімічної та електричної компоненти. Слід сказати, що саме цей потенціал на поверхні мітохондрій стає універсальною формою запасання енергії.

Ця закономірність була виявлена ​​англійським ученим П. Мітчелл. Він припустив, що речовини після окислення мають вигляд не молекул, а позитивно та негативно заряджених іонів, які розміщуються на протилежних сторонах мембрани мітохондрій. Це дозволило з'ясувати природу утворення макроергічних зв'язків між фосфатами в процесі синтезу аденозинтрифосфату, а також сформулювати хеміосмотичну гіпотезу цієї реакції.

АТФ-синтаза (Н+-АТФ-аза) – інтегральний білок внутрішньої мембрани мітохондрій. Він розташований у безпосередній близькості до дихального ланцюга. АТФ-синтаза складається з 2 білкових комплексів, що позначаються як F 0 і F 1 .

Гідрофобний комплекс F0 занурений у мембрану. Він є підставою, яка фіксує АТФ-синтазу в мембрані. Комплекс F0 складається з декількох субодиниць, що утворюють канал, яким протони переносяться в матрикс.

Будова та механізм дії АТФ-синтази.А - F 0 і F 1 - комплекси АТФ-синтази, До складу F 0 входять поліпептидні ланцюги, які утворюють канал, що пронизує мембрану наскрізь. Цим каналом протони повертаються в матрикс з міжмембранного простору; білок F 1 виступає в матрикс з внутрішньої сторони мембрани і містить 9 субодиниць, 6 з яких утворюють 3 пари α і β ("головка"), що прикривають стрижневу частину, яка складається з 3 субодиниць γ, δ і ε. γ і ε рухомі і утворюють стрижень, що обертається всередині нерухомої головки і пов'язаний з комплексом F0. В активних центрах, утворених парами субодиниць α та β, відбувається зв'язування АДФ, неорганічного фосфату (Р i) та АТФ. Б - Каталітичний цикл синтезу АТФ включає 3 фази, кожна з яких проходить по черзі у 3 активних центрах: 1 - зв'язування АДФ та Н 3 РО 4 ; 2 – утворення фосфоангідридного зв'язку АТФ; 3 – звільнення кінцевого продукту. При кожному переносі протонів через канал F 0 в матрикс всі 3 активні центри каталізують чергову фазу циклу. Енергія електрохімічного потенціалу витрачається на поворот стрижня, в результаті якого циклічно змінюється конформація - і -субодиниць і відбувається синтез АТФ.

12. Ферменти, визначення. Особливості ферментативного каталізу. Специфіка дії ферментів, види.

13.Класифікація та номенклатура ферментів, приклади.

1. Оксидоредукпшзи

2.Трансферти

V. Механізм дії ферментів

1. Формування фермент-субстратного комплексу

3. Роль активного центру у ферментативному каталізі

1. Кислотно-основний каталіз

2. Ковалентний каталіз

15. Кінетика ферментативних реакцій. Залежність швидкості ферментативних реакцій від температури, рН середовища, концентрації ферменту та субстрату. Рівняння Міхаеліса-Ментен, Кm.

16. Кофактори ферментів: іони металів їх роль ферментативному каталізі. Коферменти як похідні вітамінів. Коферментні функції вітамінів в6, рр та в2 на прикладі трансаміназ та дегідрогеназ.

1. Роль металів у приєднанні субстрату в активному центрі ферменту

2. Роль металів у стабілізації третинної та четвертинної структури ферменту

3. Роль металів у ферментативному каталізі

4. Роль металів у регуляції активності ферментів

1. Механізм "пінг-понг"

2. Послідовний механізм

17. Інгібування ферментів: оборотне та незворотне; конкурентне та неконкурентне. Лікарські препарати як інгібітори ферментів.

1. Конкурентне інгібування

2. Неконкурентне інгібування

1. Специфічні та неспецифічні інгібітори

2. Необоротні інгібітори ферментів як лікарські препарати

19. Регуляція каталітичної активності ферментів ковалентною модифікацією шляхом фосфорилювання та дефосфорилювання (на прикладі ферментів синтезу та розпаду глікогену).

20. Асоціація та дисоціація протомерів на прикладі протеїнкінази а та обмежений протеоліз при активації протеолітичних ферментів як способи регуляції каталітичної активності ферментів.

21. Ізоферменти, їхнє походження, біологічне значення, навести приклади. Визначення ферментів та ізоферментного спектру плазми крові з метою діагностики хвороб.

22. Ензімопатії спадкові (фенілкетонурія) та набуті (цинга). Застосування ферментів на лікування хвороб.

23. Загальна схема синтезу та розпаду піримідинових нуклеотидів. Регулювання. Оротацідурія.

24. Загальна схема синтезу та розпаду пуринових нуклеотидів. Регулювання. Подагра.

27. Азотисті основи, що входять до структури нуклеїнових кислот – пуринові та піримідинові. Нуклеотиди, що містять рибозу та дезоксирибозу. структура. Номенклатура.

27. Гібридизація нуклеїнових кислот. Денатурація та ренативація днк. Гібридизація (ДНК-ДНК, ДНК-РНК). Методи лабораторної діагностики, засновані на гібридизації нуклеїнових кислот. (ПЦР)

29. Реплікація. Принципи реплікації ДНК. Стадія реплікації. Ініціація. Білки та ферменти, що беруть участь у формуванні реплікативної вилки.

30. Елонгація та термінація реплікації. Ферменти. Асиметричний синтез ДНК. Фрагменти Козаки. Роль днк-лігази у формуванні безперервного та відстаючого ланцюга.

31. Ушкодження та репарація днк. Види ушкоджень. Методи репарації. Дефекти репараційних систем та спадкові хвороби.

32. Транскрипція Характеристика компонентів системи синтезу РНК. Структура днк-залежної рНК-полімерази: роль субодиниць (α2ββ′δ). Ініціація процесу. Елонгація, термінація транскрипції.

33. Первинний транскрипт та його процесинг. Рибозими як приклад каталітичної активності нуклеїнових кислот. Біороль.

35. Складання поліпептидного ланцюга на рибосомі. Утворення ініціаторного комплексу. Елонгація: утворення пептидного зв'язку (реакція транспептидації). Транслокація. Транслоказ. Термінація.

1. Ініціація

2. Елонгація

3. Термінація

36. Особливості синтезу та процесингу секретованих білків (на прикладі колагену та інсуліну).

37. Біохімія харчування. Основні компоненти їжі людини, їхня біороль, добова потреба в них. Незамінні компоненти їжі.

38. Білкове харчування. Біологічна цінність білків. Азотний баланс. Повноцінність білкового харчування, норми білка у харчуванні, білкова недостатність.

39. Перетравлення білків: протеази шлунково-кишкового тракту, їх активація та специфічність, оптимум рН та результат дії. Утворення та роль соляної кислоти у шлунку. Захист клітин від дії протеазу.

1. Утворення та роль соляної кислоти

2. Механізм активації пепсину

3.Вікові особливості перетравлення білків у шлунку

1. Активація панкреатичних ферментів

2. Специфіка дії протеаз

41. Вітаміни. Класифікація, номенклатура. Провітаміни. Гіпо-, гіпер- та авітамінози, причини виникнення. Вітамінзалежні та вітамінрезистентні стани.

42. Мінеральні речовини їжі, макро- та мікроелементи, біологічна роль. Регіональні патології, пов'язані з нестачею мікроелементів.

3. Рідина мембран

1. Структура та властивості ліпідів мембран

45. Механізми перенесення речовин через мембрани: проста дифузія, пасивний симпорт та антипорт, активний транспорт, регульовані канали. Мембранні рецептори.

1. Первинно-активний транспорт

2. Вторинно-активний транспорт

Мембранні рецептори

3.Ендергонічні та екзергонічні реакції

4. Поєднання екзергонічних та ендергонічних процесів в організмі

2. Будова атф-синтази та синтез атф

3.Коефіцієнт окисного фосфорилювання

4.Дихальний контроль

50. Утворення активних форм кисню (синглетний кисень, пероксид водню, гідроксильний радикал, пероксинітрил). Місце освіти, схеми реакцій, їхня фізіологічна роль.

51. . Механізм ушкоджуючої дії активних форм кисню на клітини (підлога, окислення білків та нуклеїнових кислот). Приклад реакцій.

1) Ініціація: утворення вільного радикала (l)

2) Розвиток ланцюга:

3) Руйнування структури ліпідів

1. Будова піруватдегідрогеназного комплексу

3. Зв'язок окисного декарбоксилювання пірувату з цпе

53. Цикл лимонної кислоти: послідовність реакцій та характеристика ферментів. Роль циклу у метаболізмі.

1. Послідовність реакцій цитратного циклу

54. Цикл лимонної кислоти, схема процесу. Зв'язок циклу з метою перенесення електронів та протонів. Регулювання циклу лимонної кислоти. Анаболічні та анаплеротичні функції цитратного циклу.

55. Основні вуглеводи тварин, біологічна роль. Вуглеводи їжі, перетравлення вуглеводів. Всмоктування продуктів перетравлення.

Методи визначення глюкози у крові

57. Аеробний гліколіз. Послідовність реакцій до утворення пірувату (аеробний гліколіз). Фізіологічне значення аеробного гліколізу. Використання глюкози для синтезу жирів.

1. Етапи аеробного гліколізу

58. Анаеробний гліколіз. Реакція гліколітичної оксидоредукції; субстратне фосфорилювання. Поширення та фізіологічне значення анаеробного розпаду глюкози.

1. Реакції анаеробного гліколізу

59. Глікоген, біологічне значення. Біосинтез та мобілізація глікогену. Регуляція синтезу та розпаду глікогену.

61. Спадкові порушення обміну моносахаридів та дисахаридів: галактоземія, непереносимість фруктози та дисахаридів. Глікогенози та аглікогенози.

2. Аглікогенози

62. Ліпіди. Загальна характеристика. Біологічна роль. Класифікація ліпідів. Вищі жирні кислоти, особливості будови. Полієнові жирні кислоти. Тріацилгліцерол..

64. Депонування та мобілізація жирів у жировій тканині, фізіологічна роль цих процесів. Роль інсуліну, адреналіну та глюкагону в регуляції метаболізму жиру.

66. Розпад жирних кислот у клітині. Активація та перенесення жирних кислот у мітохондрії. Β-окислення жирних кислот, енергетичний ефект.

67. Біосинтез жирних кислот. Основні стадії процесу. Регулювання обміну жирних кислот.

2. Регуляція синтезу жирних кислот

69. Холестерин. Шляхи надходження, використання та виведення з організму. Рівень холестерину у сироватці крові. Біосинтез холестерину, його етапи. Регулювання синтезу.

Фонд холестеролу в організмі, шляхи його використання та виведення.

1. Механізм реакції

2. Органоспецифічні амінотрансферази ант та act

3. Біологічне значення трансамінування

4. Діагностичне значення визначення амінотрансфераз у клінічній практиці

1. Окисне дезамінування

74. Непряме дезамінування амінокислот. Схема процесу, субстрати, ферменти, кофактор.

3. Неокислювальне дезамітровате

76. Оринітиновий цикл сечовиноутворення. Хімізм, місце перебігу процесу. Енергетичний ефект процесу, його регулювання. Кількісне визначення сечовини сироватки, клінічне значення.

2. Освіта спермідину та сперміну, їх біологічна роль

78. Обмін фенілаланіну та тирозину. Особливості обміну тирозину у різних тканинах.

79. Ендокринна, паракринна та аутокринна системи міжклітинної комунікації. Роль гормонів у системі регуляції метаболізму. Регулювання синтезу гормонів за принципом зворотного зв'язку.

80. Класифікація гормонів з хімічної будови та біологічних функцій.

1. Класифікація гормонів з хімічної будови

2. Класифікація гормонів з біологічних функцій

1. Загальна характеристика рецепторів

2. Регуляція кількості та активності рецепторів

82. Циклічні амф та гмф як вторинні посередники. Активація протеїнкіназ та фосфорилювання білків, відповідальних за прояв гормонального ефекту.

3. Передача сигналів через рецептори, пов'язані з іонними каналами

85. Гормони гіпоталамуса та передньої частки гіпофіза, хімічна природа та біологічна роль.

2. Кортіколіберін

3. Гонадоліберін

4. Соматоліберин

5.Соматостатин

1. Гормон росту, пролактин

2. Тиреотропін, лютеїнізуючий гормон та фолікулостимулюючий гормон

3. Група гормонів, що утворюються з проопіомеланокортину

4. Гормони задньої частки гіпофіза

86. Регуляція водно-сольового обміну. Будова, механізмдії та функції альдостерону та вазопресину. Роль системи ренін-ангіотензин-альдостерон. Передсердний натріуретичний фактор.

1. Синтез та секреція антидіуретичного гормону

2. Механізм дії

3. Нецукровий діабет

1. Механізм дії альдостерону

2. Роль системи ренін-ангіотензин-альдостерон у регуляції водно-сольового обміну

3. Відновлення об'єму крові при зневодненні організму

4. Гіперальдостеронтм

87. Регуляція обміну іонів кальцію та фосфатів. Будова, біосинтез та механізм дії паратгормону, кальцитоніну та кальцитріолу. Причини та прояви рахіту, гіпо- та гіперпаратиреоїдизму.

1. Синтез та секреція птг

2. Роль паратгормону в регуляції обміну кальцію та фосфатів

3. Гіперпаратиреоз

4. Гіпопаратиреоз

1. Будова та синтез кальцитріолу

2. Механізм дії кальцитріолу

3. Рахіт

2. Біологічні функції інсуліну

3. Механізм дії інсуліну

1. Інсулінзалежний цукровий діабет

2. Інсулінонезалежний цукровий діабет

1. Симптоми цукрового діабету

2. Гострі ускладнення цукрового діабету. Механізми розвитку діабетичної коми

3. Пізні ускладнення цукрового діабету

1. Біосинтез йодтиронінів

2. Регуляція синтезу та секреції йодтиронінів

3. Механізм дії та біологічні функції йодтиронінів

4. Захворювання щитовидної залози

90. Гормони кори надниркових залоз (кортикостероїди). Їхній вплив на метаболізм клітини. Зміни метаболізму при гіпо- та гіперфункції кори надниркових залоз.

3. Зміни метаболізму при гіпо- та гіперфункції кори надниркових залоз

91. Гормони мозкового шару надниркових залоз. Секреція катехоламінів. Механізм дії та біологічні функції катехоламінів. Патологія мозкової речовини надниркових залоз.

1. Синтез та секреція катехоламінів

2. Механізм дії та біологічні функції катехоламінів

3. Патологія мозкової речовини надниркових залоз

1. Основні ферменти мікросомальних електронтранспортних ланцюгів

2. Функціонування цитохрому р450

3. Властивості системи мікросомального окиснення

Мал. 6-15. Будова та механізм дії АТФ-синтази. А - F 0 і F 1 - комплекси АТФ-синтази, До складу F 0 входять поліпептидні ланцюги, які утворюють канал, що пронизує мембрану наскрізь. Цим каналом протони повертаються в матрикс з міжмембранного простору; білок F 1 виступає в матрикс з внутрішньої сторони мембрани і містить 9 субодиниць, 6 з яких утворюють 3 пари α і β ("головка"), що прикривають стрижневу частину, яка складається з 3 субодиниць γ, δ і ε. γ і ε рухомі і утворюють стрижень, що обертається всередині нерухомої головки і пов'язаний з комплексом F0. В активних центрах, утворених парами субодиниць α та β, відбувається зв'язування АДФ, неорганічного фосфату (Р i) та АТФ. Б - Каталітичний цикл синтезу АТФ включає 3 фази, кожна з яких проходить по черзі у 3 активних центрах: 1 - зв'язування АДФ та Н 3 РО 4 ; 2 – утворення фосфоангідридного зв'язку АТФ; 3 – звільнення кінцевого продукту. При кожному переносі протонів через канал F 0 в матрикс всі 3 активні центри каталізують чергову фазу циклу. Енергія електрохімічного потенціалу витрачається на поворот стрижня, в результаті якого циклічно змінюється конформація - і -субодиниць і відбувається синтез АТФ.

3.Коефіцієнт окисного фосфорилювання

Окислення молекули NADH у ЦПЕ супроводжується утворенням 3 молекул АТФ; електрони від FAD-залежних дегідрогеназ надходять у ЦПЕ на KoQ, минаючи перший пункт сполучення. Тому утворюються лише 2 молекули АТФ. Відношення кількості фосфорної кислоти (Р), використаної на фосфорилювання АДФ, до атома кисню (О), поглиненого в процесі дихання, називають коефіцієнтом окисного фосфорилювання та позначають Р/О. Отже, для NADH Р/О = 3, для сукцинату Р/О – 2. Ці величини відбивають теоретичний максимум синтезу АТФ, фактично ця величина менша.

49.Регуляція ланцюга перенесення електронів (дихальний контроль). Роз'єднання тканинного дихання та окисного фосфорилювання. Терморегуляторна функція тканинного дихання. Термогенна функція енергетичного обміну у бурій жировій тканині.

4.Дихальний контроль

Окислення субстратів та фосфорилювання АДФ у мітохондріях міцно пов'язані. Швидкість використання АТФ регулює швидкість потоку електронів у ЦПЕ. Якщо АТФ немає і його концентрація у клітинах зростає, то припиняється і потік електронів до кисню. З іншого боку, витрата АТФ та перетворення його на АДФ збільшує окислення субстратів та поглинання кисню. Залежність інтенсивності дихання мітохондрій від концентрації АДФ називають дихальним контролем. Механізм дихального контролю характеризується високою точністю і має важливе значення, тому що в результаті його дії швидкість синтезу АТФ відповідає потребам клітини енергії. Запасів АТФ у клітині немає. Відносні концентрації АТФ/АДФ у тканинах змінюються у вузьких межах, тоді як споживання енергії клітиною, тобто. частота оборотів циклу АТФ і АДФ може змінюватися в десятки разів.

Б. Транспорт АТФ та АДФ через мембрани мітохондрій

У більшості еукаріотів синтез основної кількості АТФ відбувається всередині мітохондрії, а основні споживачі АТФ розташовані поза нею. З іншого боку, у матриксі мітохондрій має підтримуватись достатня концентрація АДФ. Ці заряджені молекули що неспроможні самостійно пройти через ліпідний шар мембран. Внутрішня мембрана непроникна для заряджених і гідрофільних речовин, але в ній міститься певна кількість транспортерів, що вибірково переносять подібні молекули з цитозолю в матрикс і з матриксу в цитозоль.

У мембрані є білок АТФ/АДФ-антипортер, який здійснює перенесення цих метаболітів через мембрану (рис. 6-16). Молекула АДФ надходить у мітоходріальний матрикс лише за умови виходу молекули АТФ з матриксу.

Рушійна сила такого обміну - мембранний потенціал перенесення електронів ЦПЕ. Розрахунки показують, що у транспорт АТФ і АДФ витрачається близько чверті вільної енергії протонного потенціалу. Інші транспортери також можуть використовувати енергію електрохімічного градієнта. Так переноситься всередину мітохондрії неорганічний фосфат, необхідний синтезу АТФ. Безпосереднім джерелом вільної енергії для транспорту Са 2+ матрикс також служить протонний потенціал, а не енергія АТФ.

В. Роз'єднання дихання та фосфорилювання

Деякі хімічні речовини (протонофори) можуть переносити протони або інші іони (іонофори) з міжмембранного простору через мембрану матрикс, минаючи протонні канали АТФ-синтази. Внаслідок цього зникає електрохімічний потенціал та припиняється синтез АТФ. Це називають роз'єднанням дихання і фосфорилування. В результаті роз'єднання кількість АТФ знижується, а АДФ збільшується. В цьому випадку швидкість окислення NADH і FADH 2 зростає, зростає і кількість поглиненого кисню, але енергія виділяється у вигляді теплоти, і коефіцієнт Р/О різко знижується. Як правило, роз'єднувачі - ліпофільні речовини, що легко проходять через ліпідний шар мембрани. Одна з таких речовин - 2,4-динітрофенол, що легко переходить з іонізованої форми в неіонізовану, приєднуючи протон в міжмембранному просторі і переносячи його в матрикс.

Прикладами роз'єднувачів можуть бути деякі ліки, наприклад дикумарол - антикоагулянт або метаболіти, що утворюються в організмі, білірубін - продукт катаболізму тема, тироксин - гормон щитовидної залози. Всі ці речовини проявляють роз'єднувальну дію лише за їх високої концентрації.

Г. Терморегуляторна функція ЦПЕ

На синтез молекул АТФ витрачається приблизно 40-45% усієї енергії електронів, що переносяться ЦПЕ, приблизно 25% витрачається працювати з перенесення речовин через мембрану. Решта енергії розсіюється як теплоти і використовують теплокровними тваринами для підтримки температури тіла. Крім того, додаткове утворення теплоти може відбуватися при роз'єднанні дихання та фосфорилювання. Роз'єднання окислювального фосфорилювання може бути біологічно корисним. Воно дозволяє генерувати тепло для підтримки температури тіла у новонароджених, у зимових тварин і у всіх ссавців у процесі адаптації до холоду. У новонароджених, а також зимових тварин існує особлива тканина, що спеціалізується на теплопродукції за допомогою роз'єднання дихання і фосфорилювання - бурий жир. Бурий жир містить багато мітохондрій. У мембрані мітохондрій є великий надлишок дихальних ферментів проти АТФ-синтазою. Близько 10% всіх білків посідає так званий роз'єднуючий білок (РБ-1) - термогенін. Бурий жир є у новонароджених, але його практично немає у дорослої людини. В останні роки з'явилися факти, що свідчать про існування в мітохондріях різних органів і тканин ссавців, що роз'єднують білків, схожих за своєю структурою на РБ-1 бурої жирової тканини. За своєю структурою термогенін близький до АТФ/АДФ-антипортеру, але не здатний до транспортування нуклеотидів, хоча зберіг здатність переносити аніони жирних кислот, які є роз'єднувачами.

На зовнішній стороні мембрани аніон жирної кислоти приєднує протон і у такому вигляді перетинає мембрану; на внутрішній стороні мембрани дисоціює, віддаючи протон матрикс і тим самим знижує протонний градієнт. Аніон, що утворюється, повертається на зовнішню сторону мембрани за допомогою АТФ/АДФ-антипортера.

При охолодженні стимулюється звільнення норадреналіну із закінчень симпатичних нервів. В результаті відбуваються активація ліпази в жировій тканині та мобілізація жиру з жирових депо. Вільні жирні кислоти, що утворюються, служать не тільки "паливом", але і найважливішим регулятором роз'єднання дихання і фосфорилювання.

АТФ (аденозинтрифосфат): молекула, що забезпечує енергією живих клітин

Мал. 10.1. Будова аденозинтрифосфату (АТФ)

Витік електронів призводить до утворення активних форм кисню

Приблизно 2% електронів вивільняються з дихального ланцюга та зв'язуються безпосередньо з киснем, утворюючи активні форми кисню (АФК). Якщо робота дихального ланцюга порушена, АФК утворюються у більшій кількості. Ці речовини ушкоджують мітохондрії, викликаючи все більші порушення дихального ланцюга. Виникає порочне коло, і внаслідок накопичення різних пошкоджень під дією АФК відбувається старіння клітини.

Дихальні отрути

Речовини, які пригнічують утворення АТФ, потенційно токсичні для організму.

Аміталі ротенонблокують транспорт електронів у комплексі I. Ротенон виділяють з коріння рослини деріс (Derris scandens) і нерідко використовують як природний пестицид. Він малотоксичний для людини, оскільки погано всмоктується з шлунково-кишкового тракту. Однак ротенон отруйний для риб, оскільки швидко всмоктується через зябра. До того ж при довготривалому впливі ротенон небезпечний і для людини, оскільки викликає розвиток.

Антиміцинблокує транспорт електронів у комплексі ІІІ.

Ціаніди(CN-), чадний газ (СО)і азиди (N3-)інгібують комплекс IV. Тому при отруєнні ціанідом блокуються аеробні метаболічні процеси, незважаючи на те, що кров досить насичена киснем. Через зупинку аеробного метаболізму венозна кров набуває кольору артеріальної крові. Крім того, спостерігається гіпервентиляція, оскільки через накопичення молочної кислоти стимулюється дихальний центр.

Олігоміцинблокує протонний канал (F0 у комплексі V) і не дає протонам повертатися до матриксу. Тому АТФ-синтаза (F1) втрачає здатність синтезувати АТФ.

Біосинтез АТФ шляхом окисного фосфорилювання (частина ІІ)

На рис. 13.1 показаний потік електронів та протонів у дихальному ланцюгу. Електрони та протони від НАДН+через комплекс Iі от ФАДН2через комплекс IIпередаються комплексу ІІІ. Потім електрони транспортуються в комплекс IVде вони приєднуються до кисню. У цей час протони викачуються протонними насосами з матриксу в міжмембранний простір і повертаються назад в матрикс через протонний канал F0-субодиниці АТФ-синтази ( комплекс V). Потік протонів (протонний струм) включає молекулярний двигун - F1-субодиницю АТФ-синтазного комплексу, і вона має молекули АДФі ФНтаким чином, що вони об'єднуються в молекули АТФ.

АТФ-синтазафермент (КФ 3.6.3.14), який здійснює реакцію синтезу АТФ з АДФ та аніону фосфату зазвичай за рахунок енергії трансмембранного електрохімічного потенціалу протонів (тобто комбінації градієнта протонів та електричної напруги), а в деяких організмах за рахунок електрохімічного потенціалу іонів натрію, перетворюючи її, таким чином, в енергію хімічних зв'язків, яка потім може використовуватися клітиною в біохімічних реакціях. У разі, коли фермент проводить зворотний процес – формує трансмембранний протонний градієнт за рахунок гідролізу АТФ, його можуть називати АТФази.Дія ферменту пригнічує антибіотик олігоміцин.

Номенклатура

АТФ-синтаза F 1 F 0 складається з двох субодиниць:

• F 0 мембранна частина комплексу
• F 1 частина комплексу в матриксі мітохондрій або цитоплазмі бактерій.

Номенклатура субодиниць АТФ-синтази є досить складною і має довгу історію. F 1 -фракції отримала свою назву від терміну fraction 1 («фракція 1»), а F 0 (спочатку писалася з індексом «O», а не «нуль», як це прийнято зараз) отримала назву як фракція, зв'язує олігоміцин.

За прикладом інших ферментів більшість субодиниць отримали назви у вигляді грецьких (від α до ε) і латинських (від a до h) букв. Інші субодиниць отримали складні назви:

• F 6 (від fraction 6)
• OSCP (Oligomycin sensitivity conferral protein- "Допоміжний білок чутливості до олігоміцину")
• A6L (названий за назвою гена геному мітохондрій, що кодує цю субодиницю)
• IF1 (inhibitory factor 1 -«інгібуюча фактор 1»)

Пристрій та принцип роботи

АТФ-синтаза розташовується на одній з мембран клітини і складається з зануреного в неї домену F 0 і виступає в матрикс або цитоплазму домену F 1, з'єднаних субодиницею. Віддалено фермент нагадує плодове тіло гриба (у зв'язку з чим у літературі з клітинної біології, особливо старої, АТФ-синтазу іноді називали «грибоподібним тілом»).

Комплекс F 1 має діаметр близько 9-10 нм і при руйнуванні «ніжки» може відокремлюватися від мембрани, утворюючи т F 1 -АТФазу. F 1 складається з трьох субодиниць α і трьох β, які попарно об'єднуються і формують гексамерів з трьома активними центрами. Конформації змінюються при обертанні субодиниці γ разом з комплексом F 0. Рушійною силою в цьому процесі перенесення протона, що каталізує доменом F 0. Таким чином, протон не бере участі безпосередньо в реакції конденсації АДФ і аніону фосфату. Слід зазначити, що сам α 3 β 3 гексамерів не обертається щодо «статора» a, оскільки він міститься субодиницею δ, у свою чергу пов'язаною з a субодиницею b («стеблом») комплексу F 1 (хоча зазвичай F 1 розглядається як нерухомий, насправді обидва комплекси обертаються щодо один одного у протилежних напрямках).

Принцип роботи комплексу F 1 полягає спочатку у слабкому зв'язуванні АДФ та фосфату з активним центром, який потім змінює конформацію та міцно пов'язує їх, у результаті синтез АТФ йде мимовільно. При третій конформації АТФ виштовхується з активного центру.

Принцип роботи комплексу F 0 (що часто називають «найменшим у світі роторним електромотором») полягає у проникненні протона через канал у «статорі» (субодиниця a) до зв'язування в «Ротор» (c-кільце). Для звільнення на іншій стороні мембрани протона потрібно вийти через інший канал у статорі, що зрушено на деяку відстань, тобто для виходу ротора НЕОБХІДНО обернутися щодо статора. Таким чином у роторі створюється горизонтальна різниця потенціалів, що обертає його щодо статора.

Фізіологічна роль

У ролі АТФази фермент застосовується анаєробними бактеріями до створення з допомогою енергії АТФ трансмембранного електрохімічного потенціалу протонів. Цей градієнт, у свою чергу, використовується для обертання джгутиків та для транспортування іонів усередину клітини.

У аеробних бактерій фермент в основному використовується для синтезу АТФ, причому електрохімічний потенціал для цього виробляється при функціонуванні дихального ланцюга перенесення електронів. У цілому нині цей процес називається окислювальним фосфорилированием. Він протікає в мітохондріях еукаріотів, на внутрішній мембрані яких розташовані молекули АТФ-синтази, причому F 1 субодиниця знаходиться в матриксі, де і протікає процес синтезу АТФ з АДФ та фосфату.

АТФ-синтезу задіяно також у процесі фотосинтезу; вона локалізується на тилакоїдних мембранах хлоропластів, орієнтуючись F 1 субодиниці в строму. Будова та механізм роботи ферменту в цьому випадку практично ідентичний таким для АТФ-синтази мітохондрій, проте протонний електрохімічний потенціал формується в принципово іншому електротранспортному ланцюзі.