Informacija

Kaip fermentas ATP Synthase naudoja protonų koncentracijos gradientą ATP gamybai?

Kaip fermentas ATP Synthase naudoja protonų koncentracijos gradientą ATP gamybai?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Suprantu, ką veikia fermentas ATP sintazė, bet nesu visiškai tikras kaip tai daro. Girdėjau, kad jame naudojama rotacinė katalizė, bet kaip tiksliai tai veikia? Kaip energija iš H+ jonų panaudojama, paverčiama mechanine energija, o galiausiai – chemine energija, saugoma ATP? Kodėl tam, kad tai įvyktų, turi suktis fermento dalys?


Vaizdas iš wikipedia puslapio apie ATP sintazę

Trumpai tariant, protonų pridėjimas ir išleidimas į struktūrą sukelia konformacinius pokyčius, dėl kurių atsiranda dar vienas konformacinis pokytis. Ši konformacinių pokyčių serija įvyksta taip, kad sukelia sukimosi judesį.

Centrinės ašies, besitęsiančios per abu šio didelio komplekso pusrutulius, sukimąsi lemia protonų gradientas. Konkrečios likučiai c12 žiede yra protonuojami, kad būtų paskatintas šis sukimasis. Didelė protonų koncentracija (šiame paveikslėlyje randama didelė koncentracija aukščiau kompleksas) leidžia kiekvienam membranos subvienetui nuolat apkrauti H+ šovinių, pasiruošę šaudyti, kai ateis jų eilė.

Šios ašies funkcija yra šiek tiek, bet reikšmingai pakeisti vieno subvieneto formą vienu metu raudonojoje dalyje.

Raudonojoje dalyje esančių subvienetų konformacijos pakeitimas leidžia atlikti tris ATP sintezės etapus: ADP ir P surišimą.i, ATP susidarymo katalizė ir ATP išsiskyrimas.

Visi šie pokyčiai vyksta molekuliniame lygmenyje. Protonas sudaro ryšį su viena viso baltymų komplekso aminorūgštimi, tačiau to pakanka, kad susidarytų stabiliausios 3 dimensijos visumos struktūros skirtumas. Tai gali sukelti pokyčių kaskadą, dėl kurio atsiranda tinklo sukimasis, arba dėl elektrostatinių jėgų iš naujo stabilizuosis struktūra.

Pasak Vinit K. Rastogi ir Mark E. Girvin savo 1999 m. gamtos dokumente šia tema, tai labiau panašu į pirmąją:

Ankstesni modeliai siūlė paprastą standaus c12 žiedo sukimosi difuziją, kurią galbūt paskatino elektrostatinės jėgos. Struktūriniai duomenys apie su protonavimu susietus konformacinius pokyčius subvienete c rodo, kad procesas gali būti labiau mechaninis, kai vietiniai sukimai subvienete c sukelia didesnio masto c12 oligomero sukimąsi kaip visumos „ratai ratuose“ tipo mechanizme. .

Visas laikraštis yra geras skaitymas. Tačiau ši tema yra tokia pat aktuali, kaip ir aš, ir tikėtina, kad nuo 1999 m. buvo nustatytas išsamesnis ATP sintazės veikimo mechanizmas.


ATP sintazė fotosintezėje

ATP sintazė yra a transmembraninis fermentų kompleksas, kuris katalizuoja ATP susidarymą per ADP ir Pi kondensaciją. Jo pagrindinis vaidmuo yra gaminti daug energijos ATP molekulė. ATP sintazė parodo ATP susidarymą tuo metu šviesos reakcijos fotosintezė.

Jo veikimas priklauso nuo protonų gradiento, sukurto tilakoidinis liumenas, kuris padeda protonų molekulėms nuleisti augalo ląstelės tilakoidinę membraną į chloroplasto stromą. ATP sintezės procesas ląstelinio kvėpavimo metu tuo pačiu metu poruojasi su elektrocheminiu gradientu, susidariusiu dėl protonų (H+) koncentracijos skirtumo.

Prokariotų ATP sintazė apsiriboja tik plazmos membrana, o eukariotinės ATP sintazės apsiriboja vidinių ląstelių organelių (pvz., mitochondrijos ir chloroplastai). Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skirsime struktūrai, atskiram struktūrinių komponentų vaidmeniui ir ATP sintazės mechanizmui.

Turinys: ATP sintazė fotosintezėje


Biochemija. 5-asis leidimas.

Konceptualios įžvalgos, Energijos transformacijos oksidaciniame fosforilinant

Peržiūrėkite šį medijos modulį, kad gautumėte animuotą, interaktyvią santrauką, kaip elektronų perdavimo potencialas paverčiamas protonų varomąją jėgą ir galiausiai fosforilo perdavimo potencialą oksidaciniame fosforilinant.

Iki šiol mes svarstėme elektronų srautą iš NADH į O2, egzergoninis procesas.

Toliau mes svarstome, kaip šis procesas yra susietas su ATP, endergoninio proceso, sinteze.

Vidinėje mitochondrijų membranoje esantis molekulinis mazgas atlieka ATP sintezę. Šis fermentų kompleksas iš pradžių buvo vadinamas mitochonų-drial ATPazė arba F 1F 0ATPazė nes jis buvo atrastas katalizuojant atvirkštinę reakciją, ATP hidrolizę. ATP sintazė, jo pageidaujamas pavadinimas, pabrėžia jo tikrąjį vaidmenį mitochondrijose. Jis taip pat vadinamas Kompleksas V.

Kaip NADH oksidacija susieta su ADP fosforilinimu? Pirmiausia buvo pasiūlyta, kad dėl elektronų perdavimo susidaro kovalentinis didelės energijos tarpinis produktas, kuris yra didelio fosforilo perdavimo potencialo junginys, arba susidaro aktyvuota baltymo konformacija, kuri vėliau skatina ATP sintezę. Tokių tarpinių produktų paieškos kelis dešimtmečius pasirodė bevaisės.

1961 m. Peteris Mitchellas pasiūlė elektronų transportavimą ir ATP sintezę susieti protonų gradientas per vidinę mitochondrijų membraną o ne kovalentine didelės energijos tarpine medžiaga arba aktyvuota baltymo konformacija. Jo modelyje elektronų perkėlimas per kvėpavimo grandinę veda prie protonų siurbimo iš matricos į vidinės mitochondrijų membranos citozolinę pusę. H + koncentracija matricoje tampa mažesnė, susidaro elektrinis laukas, kurio matricos pusė yra neigiama (18.25 pav.). Mitchello idėja, vadinama chemiosmotinė hipotezė, buvo ta, kad ši protonų varomoji jėga skatina ATP sintezę ATP sintaze. Labai novatoriška Mitchello hipotezė, kad oksidaciją ir fosforilinimą sieja protonų gradientas, dabar patvirtina daugybė įrodymų. Iš tiesų, elektronų pernešimas sukuria protonų gradientą per vidinę mitochondrijų membraną. PH lauke yra 1,4 vieneto mažesnis nei viduje, o membranos potencialas yra 0,14 V, o išorėje teigiama. Kaip apskaičiavome 18.2.2 skyriuje, šis membranos potencialas atitinka 5,2 kcal (21,8 kJ) laisvąją energiją vienam protonų moliui.

18.25 pav

Chemiosmosinė hipotezė. Elektronų perdavimas per kvėpavimo grandinę veda prie protonų siurbimo iš matricos į vidinės mitochondrijų membranos citozolinę pusę. PH gradientas ir membranos potencialas sudaro protonų varomąją jėgą (daugiau. )

Buvo sukurta dirbtinė sistema, skirta elegantiškai parodyti pagrindinį chemiosmotinės hipotezės principą. Sukurtos sintetinės pūslelės, kuriose yra bakteriorodopsino – purpurinės membranos baltymo iš halobakterijų, kuris apšviestas pumpuoja protonus, ir iš jautienos širdies išgrynintos mitochondrijų ATP sintazės (18.26 pav.). Kai pūslelės buvo veikiamos šviesos, susidarė ATP. Šis pagrindinis eksperimentas tai aiškiai parodė kvėpavimo grandinė ir ATP sintazė yra biochemiškai atskiros sistemos, kurias sieja tik protonų varomoji jėga.

18.26 pav

Chemiosmosinės hipotezės tikrinimas. ATP sintetinamas, kai apšviečiamos atkurtos membranos pūslelės, kuriose yra bakteriorodopsino (šviesos varomo protonų siurblio) ir ATP sintazės. ATP sintazės orientacija šioje atkurtoje membranoje yra (daugiau. )


Išspręsta ATPazės, mažiausios pasaulyje turbinos, struktūra

ATP sintazė taip pat vadinama V kvėpavimo grandinės kompleksu, baltymų kompleksų serija mitochondrijų membranoje. Ši kvėpavimo grandinė sukuria protonų gradientą, kurį ATP sintazė naudoja ATP gamybai. Anksčiau Sazanovas pirmasis išsprendė I bakterinio komplekso baltymų struktūrą ir pirmasis išsprendė žinduolių komplekso I struktūrą. Naujajame tyrime Sazanovas ir laboratorijos nariai Gergely Pinke ir Long Zhou kreipėsi į žinduolių kompleksą V. galutinė neišspręsta žinduolių kvėpavimo grandinės struktūra. "F1Fo-ATP sintazė yra vienas iš svarbiausių fermentų Žemėje. Jis suteikia energijos daugumai gyvybės formų, įskaitant mus, žmones, tačiau iki šiol nežinojome, kaip ji veikia", - aiškina Sazanovas.

Sukimasis purvina vaizdą

Kadangi jau žinoma grybų tipo F1 tirpaus domeno struktūra, Sazanovas ir jo komanda ypač pažvelgė į Fo domeną, įterptą į mitochondrijų membraną. Čia protonai yra perkeliami sąsajoje tarp vadinamojo c žiedo, žiedo, sudaryto iš identiškų baltymų subvienetų, ir likusio Fo. Protonai perkeliami per membraną, nes kiekvienas c subvienetas paima protoną vienoje membranos pusėje, sukasi kartu su žiedu ir išleidžia protoną kitoje pusėje. Šis c-žiedas yra pritvirtintas prie centrinio F1 veleno, o jo sukimasis sukuria ATP F1 viduje. Norėdami išspręsti Fo domeno ir viso komplekso struktūrą, tyrėjai ištyrė fermentą iš avių mitochondrijų, naudodami krioelektroninę mikroskopiją. O štai ATP sintazė kelia ypatingą problemą: kadangi ji sukasi, ATP sintazė gali sustoti trijose pagrindinėse padėtyse, taip pat ir subbūsenose. "Labai sunku atskirti šias pozicijas, priskiriant struktūrą kiekvienai ATP sintazės pozicijai. Tačiau mums pavyko tai išspręsti skaičiavimo būdu, kad sukurtume pirmąją pilną fermento struktūrą", - priduria Sazanovas.

Rasta pralaidumo pereinamosios poros vieta

Savo didelės skiriamosios gebos Fo struktūroje mokslininkai nustatė, kad c žiedas yra užkimštas dviem lipidais, po vieną iš kiekvienos membranos pusės. Nors viršutinis (atsuktas į F1) lipidas sukasi kartu su velenu, apatinis lipidas nesisuka, nes greičiausiai yra prijungtas prie Fo domeno per „kablio aparatą“.

Ši naujai atidengta struktūra atskleidžia prieštaravimą biologijoje: kaip ir kur atsiveria vadinamosios pralaidumo pereinamosios poros. Ši pora yra susijusi su ląstelių mirtimi ir atsidaro, pavyzdžiui, insulto ir širdies priepuolio metu. Iki šiol buvo žinoma, kad poros susidaro mitochondrijose reaguodamos į didelį kalcio kiekį, tačiau tiksli porų vieta liko nežinoma. Dabar, naudodamiesi visiškai išspręsta F1Fo struktūra, Sazanovas ir jo grupė gali apibūdinti, kaip poros susidaro F1Fo-ATP sintazėje: Kai kalcis prisijungia prie F1 subvieneto, sukeliamas didelis konformacinis pokytis. Kompleksas turi prisitaikyti prie šio pokyčio ir tai darydamas traukia už kablio aparato. Aparatas savo ruožtu ištraukia lipidų kamštį apatinėje Fo pusėje, inicijuodamas porų atsivėrimą. „Kai poros yra atviros ilgesnį laiką, c žiedas destabilizuojamas ir porų susidarymas tampa negrįžtamas“, – aiškina Sazanovas. "Šis modelis atitinka visus turimus duomenis iš mutantų. Norint visiškai įsitikinti, kad taip susidaro pralaidumo perėjimo poros, reikėtų išspręsti ATP sintazės struktūrą kalcio sukeltų perėjimų metu, ką mes darome dabar."


Susiję biologijos terminai

  • gliukozė – Paprastas cukrus, kuris vaidina svarbų vaidmenį metabolizme ir energijos gamyboje.
  • Adenozino trifosfatas (ATP) – Pagrindinė molekulė, naudojama energijai ląstelėse.
  • Jonas – Molekulė, turinti grynąjį elektros krūvį dėl elektrono įgijimo arba praradimo.
  • Difuzija – Molekulių judėjimas iš didelės koncentracijos srities į mažos koncentracijos sritį.

1. Kuris organizmas neturi mitochondrijų?
A. Žmogus
B. Grybas
C. Bakterijos
D. Papartis

2. Chemiosmozė, kurioje dalyvauja koks jonas yra ATP susidarymo proceso dalis?
A. Na +
B. H +
C. Cl –
D. H –

3. Kokioje ląstelės organelėje gali atsirasti chemiosmozė?
A. Mitochondrija
B. Chloroplastas
C. Branduolys
D. Pasirinkimai A ir B


Santrauka

  1. Aerobinis kvėpavimas apima keturis etapus: glikolizę, pereinamąją reakciją, kuri sudaro acetilkofermentą A, citrinų rūgšties (Krebso) ciklą ir elektronų pernešimo grandinę bei chemiomoszę.
  2. Įvairių glikolizės ir citrinų rūgšties ciklo etapų metu tam tikrų tarpinių pirmtakų molekulių oksidacija sukelia NAD + redukciją į NADH + H + ir FAD į FADH.2. NADH ir FADH2 tada perneša protonus ir elektronus į elektronų transportavimo grandinę, kad oksidacinio fosforilinimo būdu susidarytų papildomi ATP.
  3. Elektronų transportavimo grandinė susideda iš elektronų nešėjų, kurie galiausiai perkelia elektronus iš NADH ir FADH.2 prie deguonies.
  4. Chemosmotinė teorija teigia, kad elektronų perkėlimas žemyn elektronų transportavimo sistema per daugybę oksidacijos-redukcijos reakcijų išskiria energiją. Ši energija leidžia tam tikriems grandinės nešikliams pernešti vandenilio jonus (H + arba protonus) per membraną.
  5. Kadangi vandenilio jonai kaupiasi vienoje membranos pusėje, vandenilio jonų koncentracija membranoje sukuria elektrocheminį gradientą arba potencialų skirtumą (įtampa), vadinamą protonų varomąją jėgą.
  6. Ši protonų varomoji jėga suteikia energijos, reikalingos fermentams, vadinamiems ATP sintazėmis, kurie taip pat yra aukščiau minėtose membranose, kad katalizuoti ATP sintezę iš ADP ir fosfato.
  7. Aerobinio kvėpavimo metu paskutinis elektronų nešiklis membranoje perduoda 2 elektronus pusei deguonies molekulės (deguonies atomui), kuri tuo pačiu metu susijungia su 2 protonais iš aplinkinės terpės, kad gautų vandenį kaip galutinį produktą.

Biochemija. 5-asis leidimas.

Paveikslas

Mitochondrijos, nudažytos žaliai, sudaro tinklą fibroblasto ląstelės viduje (kairėje). Mitochondrijos oksiduoja anglies kurą, kad susidarytų ląstelių energija. Šiai transformacijai reikalingas elektronų perdavimas per kelis didelius baltymų kompleksus (aukščiau), kai kurie iš jų pumpuoja (daugiau. )

NADH ir FADH2 susidarančios glikolizės, riebalų rūgščių oksidacijos ir citrinų rūgšties ciklo metu yra daug energijos turinčios molekulės, nes kiekvienoje yra elektronų pora, turinti didelį perdavimo potencialą. Kai šie elektronai naudojami redukuoti molekulinį deguonį į vandenį, išsiskiria didelis kiekis laisvos energijos, kurią galima panaudoti ATP generavimui. Oksidacinis fosforilinimas yra procesas, kurio metu ATP susidaro dėl elektronų perdavimo iš NADH arba FADH 2 pas O 2 elektronų nešėjų serija. Šis procesas, vykstantis mitochondrijose, yra pagrindinis ATP šaltinis aerobiniuose organizmuose (18.1 pav.). Pavyzdžiui, oksidacinis fosforilinimas sukuria 26 iš 30 ATP molekulių, kurios susidaro, kai gliukozė visiškai oksiduojama iki CO.2 ir H2O.

18.1 pav

Mitochondrijos elektroninė mikrografija. [Dr. George'o Palade'o sutikimu.]

Oksidacinis fosforilinimas yra konceptualiai paprastas ir mechaniškai sudėtingas. Iš tiesų, oksidacinio fosforilinimo mechanizmo išaiškinimas buvo viena iš sudėtingiausių biochemijos problemų. Elektronų srautas iš NADH arba FADH2 pas O2 per baltymų kompleksus, esančius mitochondrijų vidinėje membranoje, sukelia protonų išsiurbimą iš mitochondrijų matricos. Dėl to netolygus protonų pasiskirstymas sukuria pH gradientą ir transmembraninį elektrinį potencialą, kuris sukuria protonų varomoji jėga. ATP sintetinamas, kai protonai per fermentų kompleksą grįžta atgal į mitochondrijų matricą. Taigi, kuro oksidacija ir ADP fosforilinimas yra sujungti protonų gradientu per vidinę mitochondrijų membraną (18.2 pav.).

18.2 pav

Oksidacinio fosforilinimo esmė. Oksidaciją ir ATP sintezę sieja transmembraniniai protonų srautai.

Oksidacinis fosforilinimas yra energijos transformacijų serijos kulminacija kurie vadinami ląstelinis kvėpavimas arba tiesiog kvėpavimas jų visuma. Pirma, anglies kuras oksiduojamas citrinų rūgšties cikle, kad būtų gauti elektronai su dideliu perdavimo potencialu. Tada ši elektronų varomoji jėga paverčiama protonų varomąja jėga ir galiausiai protonų varomoji jėga paverčiama fosforilo perdavimo potencialu. Elektronų varomoji jėga paverčiama protonų varomąja jėga trimis elektronais varomais protonų siurbliais—NADH-Q oksidoreduktazė, Q-citochromas c oksidoreduktazė ir citochromas c oksidazė. Šiuose dideliuose transmembraniniuose kompleksuose yra daug oksidacijos-redukcijos centrų, įskaitant chinonus, flavinus, geležies ir sieros grupes, hemus ir vario jonus. Paskutinę oksidacinio fosforilinimo fazę atlieka ATP sintazė, ATP sintezuojantis agregatas, kuris yra varomas protonų srauto atgal į mitochondrijų matricą. Šio nuostabaus fermento komponentai sukasi kaip jo katalizinio mechanizmo dalis. Oksidacinis fosforilinimas tai ryškiai rodo protonų gradientai yra tarpusavyje konvertuojama laisvos energijos valiuta biologinėse sistemose.

Kvėpavimas—

ATP generavimo procesas, kurio metu neorganinis junginys (pvz., molekulinis deguonis) tarnauja kaip galutinis elektronų akceptorius. Elektronų donoras gali būti organinis arba neorganinis junginys.

  • 18.1. Oksidacinis fosforilinimas eukariotuose vyksta mitochondrijose
  • 18.2. Oksidacinis fosforilinimas priklauso nuo elektronų perdavimo
  • 18.3. Kvėpavimo grandinė susideda iš keturių kompleksų: trijų protonų siurblių ir fizinio ryšio su citrinos rūgšties ciklu
  • 18.4. Protonų gradientas skatina ATP sintezę
  • 18.5. Daugelis šaudyklių leidžia judėti per mitochondrijų membranas
  • 18.6. Ląstelių kvėpavimo reguliavimą pirmiausia valdo ATP poreikis
  • Santrauka
  • Problemos
  • Pasirinkti skaitiniai

Susitarus su leidėju, ši knyga pasiekiama naudojant paieškos funkciją, tačiau jos negalima naršyti.


ATP sintazė

Didelės, sudėtingos molekulinės mašinos, tokios kaip ATP sintazė, struktūriniams mokslininkams kelia sudėtingų problemų, todėl šių mašinų struktūros dažnai nustatomos dalimis. Čia parodyta nuotrauka yra keturių skirtingų struktūrų, jungiančių rentgeno kristalografijos ir BMR spektroskopijos būdu nustatytas struktūras, sudėtis. F0 variklis yra įtrauktas į PBP failą 1c17. F1 variklis ir juos jungianti ašis yra įtraukti į PBP failą 1e79. Statorius pasirodė esąs sunkiausia dalis – du čia rodomi elementai yra iš PBP failų 2a7u ir 1l2p.

Norėdami gauti informacijos apie ATP sintazę iš genomikos perspektyvos, peržiūrėkite mėnesio baltymą Europos bioinformatikos institute.

F1 struktūra

F0 struktūra

Dvi galvos geriau nei viena

Struktūros tyrinėjimas

ATP sintazė

Norėdami nustatyti struktūrą krioelektronine mikroskopu, mokslininkai išsklaido daugybę molekulės kopijų ant paviršiaus, o tada sujungia tūkstančių jų vaizdus, ​​​​kad sukurtų nuoseklią struktūrą. Kai kuriais atvejais molekulės įgauna keletą skirtingų formų, todėl teisingai klasifikuodami šiuos vaizdus mokslininkai gali stebėti skirtingas molekulės konformacijas. Su monomerine karvės ATP sintazės forma mokslininkai nustatė septynias skirtingas sukimosi būsenas. Čia rodomi trys (PBP įrašai 5are, 5ari ir 5fil), fiksuojant visą sukimąsi. Norėdami išsamiau ištirti šias struktūras, spustelėkite interaktyvaus JSmol paveikslėlį.

Tolimesnių diskusijų temos

  1. Pabandykite pažvelgti į PDB-101 temą „Biologinė energija“, kad pamatytumėte kitus baltymus, susijusius su ATP gamyba ir naudojimu.

Susiję PBP-101 ištekliai

Nuorodos

  1. 6b8h: H Guo, SA Bueler ir JL Rubinstein (2017) Mitochondrijų ATP sintazės dimerinės FO srities atominis modelis. Science 358: 936-940.
  2. 5are, 5ari, 5fil: A Zhou, A Rohou, DG Schep, JV Bason, MG Montgomery, JE Walker, N Grigorieff ir JL Rubinstein (2015) Bovide mitochondrijų ATP sintazės struktūra ir konformacinės būsenos krio-EM. Elife 4, e10180.
  3. 2a7u: S Wilkins, D Borchardt, J Weber ir AE Senior (2005) Escherichia coli F(1)F(0)-ATP sintazės delta ir alfa subvienetų sąveikos struktūrinis apibūdinimas BMR spektroskopijos būdu. Biochemistry 44, 11786-11794.
  4. G Oster ir H Wang (2003) Rotary Protein Motors. Ląstelių biologijos tendencijos 13, 114-121.
  5. 1l2p: PA Del Rizzo, Y Bi, SD Dunn & BH Shilton (2002) Escherichia coli ATP sintazės „antrasis kotelis“: izoliuoto dimerizacijos srities struktūra. Biochemistry 41, 6875-6884.
  6. 1e79: C Gibbons, MG Montgomery, AGW Leslie ir JE Walker (2000) Centrinio stiebo struktūra galvijų F(1)-ATPazėje esant 2,4 A skiriamajai gebai. Gamtos struktūrinė biologija 7, 1055.
  7. G Oster & H Wang (1999) ATP Synthase: Du varikliai, du degalai. 7 struktūra, R67-R72.
  8. 1c17: VK Rastogi ir ME Girvin (1999) Struktūriniai pokyčiai, susiję su protonų translokacija ATP sintazės subvienetu c. Gamta 402, 263-268.
  9. PD Boyer (1997) ATP sintazė – nuostabi molekulinė mašina. Metinė biochemijos apžvalga 66, 717-749.

2005 m. gruodis, David Goodsell

Apie PBP-101

PDB-101 padeda mokytojams, mokiniams ir plačiajai visuomenei tyrinėti 3D baltymų ir nukleorūgščių pasaulį. Mokymasis apie įvairias jų formas ir funkcijas padeda suprasti visus biomedicinos ir žemės ūkio aspektus – nuo ​​baltymų sintezės iki sveikatos ir ligų iki biologinės energijos.

Kodėl PBP-101? Tyrėjai visame pasaulyje leidžia šias 3D struktūras laisvai rasti Baltymų duomenų banko (PDB) archyve. PDB-101 sudaroma įvadinė medžiaga, padedanti pradedantiesiems pradėti mokytis dalyko („101“, kaip ir pradinio lygio kurse), taip pat ištekliai išplėstiniam mokymuisi.


Energijos formos ir protonų gradientas

Atsisiųskite vaizdo įrašą iš iTunes U arba interneto archyvo.

Kaip tik labai greitai, anądien jums paminėjau tą straipsnį apie Romney, paskelbusį politinį pareiškimą apie embrioninių kamieninių ląstelių tyrimus, ir sakiau, kad čia yra tam tikri pavyzdžiai problemų, apie kurias galvojome šiame kurse, kurios ateis į jūsų įprastą gyvenimą. Štai šiandieniniame „Globe“ – „Kennedy sugriovė Romney dėl kamieninių ląstelių politikos. Šios diskusijos tęsiasi. Tai pirmame šiandieninio Bostono gaublio puslapyje. Turime du žmones, kurių nė vienas iš jų tikriausiai neturi biologijos išsilavinimo, kuriuos jūs, vaikinai, turėsite, kai baigsite šį kursą, ir turės susidurti su šiomis labai rimtomis mokslinėmis problemomis, turinčiomis visokių pasekmių. Čia kitas dalykas. Tai buvo vakar dienraštyje. Tai, manau, buvo antrajame Boston Globe puslapyje. Tai apie Harvardo kuratorių Lyginamosios zoologijos muziejuje, kuriame buvo visi šie skirtingi paukščiai, kai kurie iš jų yra išnykę. Ir dabar kuratorius, užuot turėjęs juos kaip savotišką kolekciją ir viskas, iš šių egzempliorių išima DNR, dirba atgal ir ieško naujų įžvalgų iš gyvūnų, kurių šioje planetoje jau nėra. Ir tai buvo vienas iš, aš nenorėjau jums to rodyti per Valentino dieną, bet tai labai svarbu. Aš neprenumeruoju „The New York Times“, bet kažkodėl šeštadienio rytą vienas pasirodė mano prieangyje. Atidariau pirmąjį puslapį, „Niujorke pranešta apie retą ir agresyvų ŽIV“. Pakalbėsiu su jumis apie ŽIV-1 virusą, kuris yra virusas, kuris galiausiai sunaikina kai kurias pagrindines jūsų imuninės sistemos gynėjas ląsteles. Ir tada žmonės miršta nuo AIDS, o tai yra visa kita, kas tada nutinka. Ir buvo siaubingai baisu, kai tai pirmą kartą pasirodė. Gydymo nuo to nebuvo. Taip yra daugumoje Trečiojo pasaulio šalių ir žmonės miršta, jei tai gauna. Aš praradau artimą draugą, kai tai pirmą kartą pasirodė. Tada jie sugalvojo šiuos įvairius kokteilius iš skirtingų inhibitorių. Idėja buvo užuot turėjus vieną narkotikų taikinį, kuriame virusas lengvai mutuotų ir, kaip aš jums pasakysiu, ŽIV virusas mutuoja kaip beprotiškas. Vietoj to jie naudotų kelis taikinius ir todėl tai daro. Ir tarsi tada tikimybė, kad ji gaus mutaciją, padauginsite visas šias mažas tikimybes gauti mutaciją ir tikėkitės, kad tai niekada neįvyks. Tai atsitiko. Ten Niujorke yra ŽIV-1 versija, kuri yra atspari viskam. Jei tai išplis, o tai greičiausiai ir išplis, bus taip, kaip atsitiko su visomis bakterijomis ir antibiotikais. Truputį veikia, natūrali mutacija ir natūrali atranka, kažkas atsitiks, organizmas ar virusas pasikeis taip, kad nebeatsparus. Taigi, žinote, šiuo metu, kaip visada, įsitikinkite, kad niekada nesusirgote AIDS. Tai sugrąžintų mus atgal, kaip ir anksčiau, nei bet kuris iš šių dalykų buvo slopinamas. Ir dabar vyksta tas pats. Yra tuberkuliozės mikobakterijų padermių, kurios yra atsparios visiems žinomiems antibiotikams. Jei susergate tuberkulioze, panašu, kad gyvenote prieš 200 metų. Jie nieko negali padaryti už jus. Tave pasodintų į sanatoriją, bet tavęs negalima išgydyti. Tai yra blogiau. Žinai, tai baisu. Tai tave nužudo. Taigi tiesiog būk atsargus. Tai tik patarimas, bet tai, kas visada atsitinka, kai vartojate antibiotikus ar vaistus, galiausiai natūralios atrankos mutacija greičiausiai sukurs variantą. Ir atrodo, kad tai vyksta. Nežinau, tikiuosi, kad ne, bet bijau, kad tai dar nesibaigs. GERAI. Taigi kai kurie iš jūsų, aš perskaičiau kai kuriuos komentarus. Nenuostabu, kad kai kurie iš jūsų galvoja, kodėl jis man visa tai pasakoja. Dieve, buvo daug darbo, kad būtų nepaprastai painu, ten buvo visos šios cheminės struktūros, aš tikrai ne viską supratau. Atrodė, kad kažkaip iš to ląstelė pateko į dvi ATP molekules. Kodėl mes švaistome visą laiką? Kodėl aš švaistau visą šį laiką pasakodamas apie tai, kaip gauti dvi ATP molekules? Iš esmės tai ir darėme. Mes žiūrėjome į gliukozę, kuri yra C6H12O6, kuri vyksta per šį procesą, kurio kelias susideda iš dešimties fermentinių pakopų. Ir kas galiausiai išeina kitame gale, yra du piruvatai. Ir grynoji to išeiga yra du ATP ir dvi šio keisto dalyko, vadinamo NADH, molekulės. Dabar manau, kad dauguma iš jūsų, nors kai kurie iš jūsų vis dar to nesuprato, priežastis, dėl kurios jums reikia pagaminti ATP iš ADP ir neorganinio fosfato, yra ta, kad jis kaupia energiją. Žinote, tai tarsi elektra namuose arba baterijos žibintuvėje, „iPod“ ar kas tai bebūtų. Turite turėti energijos, kad galėtumėte ką nors padaryti. O ląstelėms to reikia. Ir pagrindinė jų naudojama energijos valiuta yra ATP. Ir jie sujungia didžiąją dalį, suspausdami fosfatą iki ATP, todėl ši jungtis yra stabili, nebent yra fermentas, kuris jį nutrauktų, bet jame yra sukaupta energija. Ir jie nukris žemyn, ir tą energiją galėsite panaudoti kitoms reakcijoms sukelti. Taigi, kad gyvybė įvyktų, reikėjo kažkaip sugalvoti, kaip gauti energijos tokia forma, kurią ji galėtų panaudoti visai biosintezei, kuri reikalinga gyvybei tęsti. NADH, aš tau parodžiau molekulę, tu turi struktūrą. Ląstelė sukuria tam tikrą skaičių to molekulių. Tai aplink. Ir tai, kas atsitiko, atsitiko, padėjo kai kuriems iš šių procesų vykti. Galų gale, tai tarsi elektronų bankų sistema. Jei jis gauna NADH, ant jo įstrigo elektronai. Ląstelėje yra tik ribotas NADH molekulių skaičius, todėl jei visas NAD molekules paversite NADH, nebeturėsite kur dėti elektronų ir viskas sustoja. Nes aš kalbėjau apie redokso reakcijas. Jei pašalinate elektronus kažkur, jie turi eiti kitur. Ląstelė naudoja NADH kaip beveik valiutą elektronams perduoti, lygiai taip pat, kaip ATP naudoja kaip valiutą energijos pernešimui iš vienos ar kitos formos. Dabar problema buvo ir kodėl tai buvo taip svarbu, matyt, kaip jau sakiau, mes iš esmės žiūrime į kažkokią evoliucinę fosiliją, nes kiekvienas organizmas žemėje naudoja arba praktiškai kiekvienas organizmas žemėje naudoja glikolizę. Jis yra mūsų ląstelių citoplazmoje. Jis yra bakterijų citoplazmoje. Jis yra archajų citoplazmoje. Atrodo, kad ji išsivystė taip seniai, kad kiekviena gyvybės forma žemėje, žinote, priklauso nuo to, visko, kas gali iš esmės metabolizuoti cukraus molekulę. Ir taip atrodo sudėtinga. Tai yra. Gal būtumėte galėję sukurti. Norėčiau jums pasakyti, kad tai yra dvi reakcijos ir jūs sukuriate du ATP ir viskas paprasta. Gyvenimas dažnai nėra paprastas. Dažnai tai būna labai sudėtinga. To nepadarė 10 pastato projektavimo inžinierių komanda, kuri jį projektavo. Tai padarė kažkas, kas atsitiko atsitiktinės atrankos būdu. Ir kai kažkas pagaliau suveikė, matyt, evoliucijos metu tai buvo pataisyta, net jei tai atrodo gremėzdiška. Manau, kad kitas būdas pažvelgti į tai yra pasakyti, ar ne taip, šiuo metu jaučiu savotišką nuostabą ir, atsižvelgiant į tai, kad daug metų dirbau šioje srityje, kad kažkas sudėtingo gali veikti. Išimkite šią gliukozės molekulę ir paverskite ją dviem ATP molekulėmis, kurios vėliau gali būti panaudotos ląstelei sintetinti. Kaip parodysiu, yra geresnis būdas tai panaudoti daug efektyviau, 18 kartų efektyviau, jei atliktume kvėpavimą, apie kurį šiandien kalbėsime, bet tam reikia deguonies. Ir kai gyvybė prasidėjo maždaug prieš 3,8 milijardo metų, deguonies nebuvo, todėl tai nebuvo išeitis. Pirmieji organizmai turėjo susitaikyti su tuo, ką rado, ir tai išsivystė. Taigi ATP gali išsijungti ir būti naudojamas daugeliui dalykų. Problema, jei aplink nėra deguonies, kaip sakiau, yra ribotas ATP molekulių skaičius. Taigi, kad glikolizė vyktų, jūs atimate kai kuriuos elektronus ir atliekate oksidacijos veiksmus, sumažinate NADH. Ir jei norite, kad tai vyktų kaip ciklas, turite kažkaip atkurti NAD+, kad galėtumėte pereiti kitą ciklą ir pagaminti daugiau ATP. Taigi buvo du variantai, apie kuriuos jums papasakojau. Jei šalia neturite deguonies, vienas iš šių variantų gamina laktatą, todėl grynoji jo išeiga yra du ATP. Kadangi šioje dalyje nutinka dvi NADH molekulės, pakeičiant dvi piruvato molekules į dvi laktato molekules, taigi tai atsikrato, o viso dalyko grynoji išeiga yra dvi ATP molekulės. Kitas būdas tai padaryti yra mielės. Jis sudaro dvi CO2 molekules ir dvi etanolio molekules. Ir manau, kad parašydamas tai ant lentos parodžiau, kad yra acetaldehido. Mes turėjome dvi tos molekules, kurios pateko į dvi etanolio molekules. Ir manau, kad pamiršau lentoje parašyti, kad sunaudojo dvi NADH molekules, nes tai svarbu. Taigi apie tai ir yra visas šis reikalas. Tai pasiekia tą patį. Ir šio grynasis pelnas taip pat yra du ATP. Taigi antroje paskaitos dalyje kalbėsiu apie fotosintezę, bet jei prisiminsite, kad iš pradžių tai, ką aš pavadinau „išleisk vieną“, atsirado maždaug prieš 3 milijardus metų. Vėliau pasirodė patobulinta versija, kuri pradėjo gaminti deguonį. Dabar prireikė milijardų metų, kad pasiektume dabartinį deguonies lygį, bet kai atmosferoje atsirado deguonies, atsirado nauja energijos gamybos galimybė. Ir tai buvo vietoj to, kad vartotumėte šį NADH ir atminkite, kad kiekviename energijos molyje yra apie 50 kcal, jis tiesiog išmetamas. Jis visai nenaudojamas. Bet jei aplinkui yra deguonies, yra nauja ir geresnė sistema, kurią žinote kaip kvėpavimą, tai žodis, kurį girdėjote. Jūs žinote, kad mes kvėpuojame deguonimi. Mes turime kvėpuoti deguonimi, nes mes naudojame deguonį energijai gaminti. Ir aš tau papasakosiu dar kartą. Jūs neprivalote žinoti visų detalių. Tačiau yra biocheminis ciklas, vadinamas citrinos rūgšties ciklu. Ir tai vyksta kartu su kitu procesu, žinomu kaip oksidacinis fosforilinimas. Taigi, jei turime deguonies, dienos pabaigoje vietoj šių produktų gauname šešias CO2 molekules ir šešias vandens molekules. Bet dar svarbiau 36 ATP molekulės. Taigi kvėpavimas nepaprastai geriau paima energiją iš gliukozės molekulės. Bet tai, aš jums parodysiu, yra vėlesnis evoliucijos vystymasis. Taip turėjo būti, nes atmosferoje reikėjo deguonies. Ir taip, nors iš ATP gauname tik dvi molekules. Mes visi tai darome. Ir kitas dalykas, kurį jis generuoja, yra piruvatas. Ir, kaip matysite, šis procesas reikalauja tų piruvatų. Tai yra šios dalies pradinė medžiaga. GERAI? Tikiuosi, kad tai yra šiek tiek prasmingesnė, kodėl turite stebėti bendrą vaizdą arba viskas, ką matysite, yra daugybė struktūrų ir cheminių transformacijų, kurios neturi prasmės. Visa tai susiję su ATP ir energijos gamyba. Ir, kaip matysime vėliau, fotosintezė. Kai kuriais atvejais tai gali būti susiję su biosintezės galios mažinimu. Taigi, norėdamas tai suprasti, turiu supažindinti jus su kitu būdu mąstyti apie energiją. Atrodo, kad kai kurie iš jūsų vis dar kovoja su mintimi, kad energiją galite kaupti cheminėje jungtyje, bet manau, kad iš komentarų dauguma jūsų tai supranta. Jei kyla problemų, teiraukitės savo TA arba peržiūrėkite skyrius ir kitus dalykus. Tačiau supratimas, kaip ši dalis atsirado, nors šis procesas, kas tai yra, buvo išrastas maždaug prieš 3, milijardus metų, mokslininkai net neįsivaizdavo, kaip tai veikia iki maždaug 1961 m., kai buvo mokslininkas, vardu Peteris Mitchellas, kuris gavo Nobelio premiją už savo įžvalgą. Ir tai, ką jis pripažino, buvo trys energijos formos, kurios yra tarpusavyje konvertuojamos. Cheminio ryšio energija. Ir aš jums nuolat sakau tai, kad ATP, jei mes hidrolizuojame, jis pereina į ATP ir neorganinį fosfatą. Delta G pirminis nulis yra maždaug minus 7 kilokalorijos vienam moliui, tačiau fiziologinėmis sąlygomis paaiškėja, kad kiekvienas ATP gauna apie 12 kilokalorijų vienam moliui, nes tokiomis standartinėmis sąlygomis gyvybė nevyksta. Taigi tai yra viena iš energijos formų, apie kurią mes daug kalbėjome. Yra ir kita energijos forma, kurią tikriausiai žinote intuityviai, t. y. jei vienoje nepralaidžios barjero pusėje yra didelė kai kurių junginių koncentracija, o kitoje - maža, didelė cukraus koncentracija, maža cukraus. Jei sistemai suteiksite galimybę, ji subalansuos. Taigi koncentruoti dalykai tekės žemyn, kol susikaupsite abiejose pusėse. Yra energijos, kurią galite pasisemti iš to. Taigi energija iš esmės saugoma koncentracijos gradiente. Yra dar viena forma, kuri tikriausiai turėtų būti žinoma kai kuriems iš jūsų, ir tai yra idėja, kad galite kaupti energiją elektriniame gradiente. Jei turite tam tikrą nepralaidų barjerą, o vienoje pusėje turime daug krūvių, o kitoje pusėje – mažiau, tada atsiranda poliškumas, elektrinis gradientas ir tai yra tam tikra sukauptos energijos forma. Dabar, kaip jau sakiau, membrana yra nepralaidi daugeliui dalykų. Taigi galite gauti didelę kažko koncentraciją vienoje pusėje ir mažą koncentraciją kitoje ir kontroliuoti joje įterptu baltymu, nesvarbu, ar kada nors pasitaikys proga. Ta pati idėja galioja ir elektriniam gradientui. O ypač biologiją domina vandenilio jonai. Taigi, jei turime tokią situaciją, kai vienoje membranos pusėje turime daugiau vandenilio jonų nei kitoje, tada turime elektrinį gradientą, turime poliškumą. Taigi tai yra membrana. Taigi visos ląstelės turi -- Ir tai veikia taip, kad yra ląstelės išorė, o tai yra ląstelės vidus, taigi daugiau pliusų išorėje, vandenilio jonų išorėje nei viduje. Ir tai yra apie 70 milivoltų. Tai gali atrodyti ne taip įspūdingai, tiesa? Tačiau kitas būdas pažvelgti į tai yra, kad membrana yra maždaug trijų nanometrų. Taigi, jei jūs sakote „na, gerai“, koks yra elektros gradientas? Tai apie 200 000 voltų viename centimetre. O aukšto įtempimo linijos, žinote, labiau panašios į mylią ar panašiai. Taigi, nors tai atrodo kuklu dėl membranų, visose ląstelėse yra labai, labai galingas elektrinis gradientas. Taigi tai yra energijos forma. Ir manau, kad tai buvo pasiūlyta 1961 m. Vadovėliuose dažnai rašoma, kad tai buvo priimta aštuntojo dešimtmečio pradžioje. 1975 m. lankiausi Berklio post-doc ir žmonės vis dar ginčijosi, ar tikrai taip, ar tikrai tai buvo naudojama gamtoje? Tai yra. Ir aš manau, kad vienas iš dramatiškiausių demonstracijų, kad protonų gradientas gali būti energijos šaltinis, kyla iš tokio pobūdžio dalykų. Aš jums parodžiau, kaip šios bakterijos, tai E. coli, plaukioja su šiais rotaciniais varikliais, kurie sukasi nuo 10 000 iki 100 000 aps./min. Parodžiau jums E. coli vidinės membranos nuotrauką. Ir aš minėjau, kad jis turi dvigubą membraną. Tai savotiškas apsauginis sluoksnis. Šiek tiek vėliau paskaitoje vėl pamatysite dvigubas membranas. O štai variklis su dideliu propeleriu, iš jo kyšo žiogelis. Ir kaip šis dalykas, ir aš jums parodžiau, manau, šį paveikslėlį, o paskui šią vadovėlio diagramą. Šį variklį varo protonai, tekantys iš ląstelės išorės per čia, per čia esančius baltymus, per juose esančius kanalus. Ir tai suteikia variklio sukimo momentą. Būtent tai ir skatina. Tai ne ATP ar kažkas. Tai protonai išorėje ir viduje. Ir yra labai dramatiška demonstracija, panaši į penktadienio vakaro siaubo filmus, [jei norite?], kur žmonės rado būdą, kaip atidaryti E. coli, kad visa citoplazma pasibaigtų ir tada ji vėl užsidarytų. Taigi tai, ką jūs turite, yra E. coli, kuris yra tik apvalkalas, tik membranos ir į jį įterpti baltymai, ir ji tiesiog sėdi ten esant neutraliam pH. Jei dabar parūgštinate terpę, kas atsitiko, jūs sukūrėte protonų gradientą, nes dabar išorėje yra daugiau protonų. Ir tai tik ta pati nuotrauka, kurią jums parodžiau anksčiau. Bet kas atsitiks, jei atliksite šį eksperimentą, bakterijos pradės plaukti. Jie neturi nei vidų, nei nieko, bet jūs dirbtinai sukūrėte protonų gradientą ir jis varo variklį ir jie pradeda plaukti. Tai tarsi „negyvas žmogus vaikšto“ ar kažkas bakterijų lygyje. Manau, kad tai tikrai dramatiškas demonstravimas, kaip galite panaudoti protonų gradiento energiją energijai gaminti. Taigi principas, kuriuo grindžiamas kvėpavimas ir fotosintezė, yra tai, kad jūs naudojatės šiuo koncentracijos ir elektrinio gradiento deriniu. Ir tai žinoma kaip cheminė osmosinė hipotezė. Nes čia dėl krūvių yra elektrinis gradientas. Taip pat turite koncentracijos gradientą, nes šioje pusėje turite daugiau vandenilio jonų. Taigi jūs tikrai negalite jų atskirti. Jie tarsi susieti. Tačiau idėja yra ta, kad gyvenimas naudoja šį protonų gradientą, kad galėtų gaminti energiją ir atlikti kai kuriuos iš šių energijos sandorių. Taigi čia yra toks principas, kaip tai daroma.Jūs turite tokią membraną, tada mes turime baltymą, o dabar nematysime visų alfa spiralių ir beta lakštų. Tai bus vienas iš tų dalykų, apie kuriuos kalbėjome, apimantis membraną. Membrana, kaip galima spėti iš to, ką apie ją žinote, yra nepralaidi vandenilio jonams. Taigi, ką daro šis baltymas, įterptas į membraną, tai protonų siurblys. Ir jei jūs tam tikra forma aprūpinate jį energija, tada jis paima vandenilio joną, kuris yra viduje, o išorėje jis paverčia vandenilio jonu. Nėra jokios cheminės protono transformacijos. Jis tiesiog perėjo iš vienos membranos pusės į kitą. Tai beveik kaip įkrauti bateriją ar dar ką nors, jei norite galvoti apie tai galbūt tokiu būdu. Ir tada antrasis etapas yra, kai protonų gradientas yra nustatytas ir dabar turite daug daugiau H + išorėje nei viduje, tada yra kitas baltymas, kuris leidžia protonui tekėti. Protonas teka žemyn iki gradiento ir todėl gali grįžti atgal į ląstelę. Jei tai būtų viskas, nebūtume nieko pasiekę. Būtumėm iššvaistę energiją, kažką išsiurbę, kažką atsipumpavę. Tačiau ši molekulė turi įdomią savybę, ty protono gebėjimui tekėti žemyn gradientu, būtinai reikalingas ATP ir neorganinis fosfatas. Protonui nusileidus šiuo energijos gradientu, išskiriama pakankamai energijos, kad ląstelė galėtų ją užfiksuoti ir panaudoti ATP molekulei sintetinti. Supratau? Taigi jūs gaminate šiek tiek energijos, pavyzdžiui, iš šviesos fotosintezės metu, kurią pamatysime po minutės, kitus būdus, kaip tai padaryti, o tada išvešite į lauką. Kai turėsite gradientą, dabar galėsite sukurti ATP. Ir, tiesą sakant, vienas iš visiškai puikių struktūrinės biologijos atradimų, tai žinoma kaip ATP sintazė. Tai baltymas. Tai fermentas. Apie tokius dalykus mes kalbėjome. Tai taip pat yra baltymas. Matote viską, ką daro baltymai. Taigi ši ATP sintazė, kuri naudoja šią protonų gradiento energiją ATP gamybai, jos struktūra buvo sukurta ir lygiu, čia yra kristalinės struktūros dalis. Tikriausiai galite pamatyti kai kuriuos alfa spiralių beta lapus. Čia yra vadovėlio diagrama, kurioje jis parodytas, aš rodau jį aukštyn kojomis, bet čia yra protonas, esantis viduje. Ir kas nuostabu, paaiškėjo, kad ši ATP sintazė yra struktūriškai susijusi su baltymu, esančiu to sukamojo variklio, kuris varo žvynelius, širdyje. Ir, tiesą sakant, atsiminkite, aš manau, kad aš jums parodžiau, kur galite priklijuoti žvynelius ant dengiamojo stiklelio, o bakterijos sukasi aplinkui, kad galėtumėte pamatyti, kaip jos sukasi? Taigi žmonės padarė lygiavertį dalyką, jiems pavyko priklijuoti šią ATP sintazę. Ir jūs negalėjote pamatyti, kad viršutinė dalis sukasi, bet jie naudojo keletą sudėtingų dalykų, apie kuriuos kalbėsime apie antikūnus, ir yra prie ko pritvirtinti ilgą siūlinę molekulę. Tai protono polimeras, vadinamas aktinu. Tai yra ta pati medžiaga, kurią randame savo raumenyse. Ir tai padarė pakankamai ilgai. Matėte, kad kai šis daiktas veikė, jis sukasi aplinkui. Taigi evoliucija paėmė tą patį pagrindinį baltymų mechanizmo elementą. Vienu atveju jis panaudojo protonų gradiento energijai užfiksuoti ir ATP gamybai. Ir kitu atveju jis naudojo jį šiam propeleriui vairuoti, jei norite. Ir čia yra tokia paprasta diagrama. Taigi, protonui tekant, tai, kas atsitinka, yra vidinė šio dalyko dalis. Ir kiekvieną kartą, kai tai daro, jis sintezuoja ATP. Ir tam reikia tos energijos, kad sustumtų ADP ir neorganinį fosfatą, įveiktų tą aktyvacijos energiją ir priartintų juos pakankamai arti, kad galėtumėte užmegzti ryšį. Tai tikrai nuostabus dalykas. Aš suprantu, kad tai yra šiek tiek sunkiai suvokiama sąvoka, bet jei galite suprasti šį endokrininį energijos kintamumą, susijusį su elektrinio gradiento ir ATP kombinuota koncentracija, o gamta juda pirmyn ir atgal, tai yra absoliučiai gyvybiškai svarbi. Jei to nevykdytume, negalėtume to padaryti. Žinote, kaip aš sakau apie glikolizę, norėčiau, kad būtų paprasčiau, bet taip gamta padarė, tokie esame mes, o [apie ką aš žinau?] Biologija taip vyksta. Ir aš nesielgčiau teisingai, jei nepasakyčiau kai kurių detalių. Jūs esate MIT studentai. Tikiuosi, jūs turėtumėte žinoti, kaip pasaulis iš tikrųjų veikia tokiu lygiu. GERAI. Dabar, turėdamas tokią informaciją, manau, galime... Gana greitai galiu padėti jums pradėti suprasti, kas čia vyksta. Prisiminkite problemą su glikolize? Jis prasidėjo, kai nebuvo deguonies, todėl jis sukūrė šiuos NADH. Jie nebuvo geri. Turėjote jų tiesiog atsikratyti, kad paimtumėte piruvatą, organizmai išmoko juos panaudoti, kad susidarytų laktatas arba etanolis ir anglies dioksidas, bet jei šalia yra deguonies, yra kita galimybė. Ir tai yra jūs galite sujungti šias molekules su deguonimi. Taigi, jei paimtume du NADH plius du vandenilio jonus ir deguonies molekulę, gautume du vandenis. Ir manau, kad galiu jums parodyti, kas ten vyksta paprastai. Kas buvo NADH, čia turime elektronų porą ir vandenilio joną. Na, jei mes tai paėmėme, kas tai yra? Manau, kad atpažintumėte tai kaip vandenilio dujų molekulę. Taigi, jei vartojate NADH ir deguonį, tai, ką iš tikrųjų daro ląstelė, ji paima vandenilio dujas ir deguonį ir duoda du vandenis. Taigi iš esmės tai yra vandenilio deginimas. Ir manau, kad dauguma iš jūsų žino, kas nutiktų, jei turėčiau čia vandenilio ir deguonies mišinį ir įmuščiau degtuką ar pan. Turėtume didžiulį sprogimą. Ir, tiesą sakant, dėl to išsiskiria 50 kilokalorijų energijos. Ir taip toliau, energijos rūšies diagrama, šios laisvos energijos diagramos, kur mes turėjome du NADH ir deguonies molekulę, o čia turime dvi vandens molekules, yra tai. Jei tai įvyktų vienu žingsniu, tai būtų didžiulis energijos kiekis. Jokia ląstelė ar organizmas žemėje nesugalvojo, kaip tai padaryti vienu žingsniu. Ir aš manau, kad kai kuriuose vadovėliuose tai lyginama su tuo, kad tai būtų tarsi dinamito lazdelės nuėmimas kameroje. Ir štai vienas iš šių dalykų, kurie tikriausiai atrodė kaip kažkokia neįdomi termodinaminė savybė, tam tikru mastu tampa tikrai svarbiu suprantant biologiją. Ir tai yra faktas, ar atsiminkite, kad sakiau, kad energijos sumažėjimas nuo reagentų iki produktų yra termodinaminė savybė? Nesvarbu, ar jūs nuslydote tiesiai nuo kalno, ar nusileidote daugybe smulkmenų, jūs vis tiek gavote tiek pat energijos išleidimo iš čia žemyn į ten. Taigi iš esmės tai yra tai, ką ląstelė daro – ji paima šią energiją ir suskaido ją į mažus paketus, kuriuos gali valdyti cheminiu būdu. Ir taip, užuot nusileidęs, kartą nusileidęs keliais laipteliais ir kiekvieną kartą, kai nuteka iš dalies nuo kalno, jis kažką daro. Ir ką jis daro, tai perduoda du elektronus tam tikram nešikliui. Ir tada du elektronai šiek tiek teka žemyn į kitą, o paskui į kitą. Ir kas atsitinka, kai šie elektronai teka žemyn, yra tai, kad jie varo tą protonų siurblį. Taigi protonų siurblys paima protoną iš išorės į vidų. Ir kai du elektronai nukrenta į kitą lygį, kitas H+ pereina iš išorės į H+, vėl čia. Ir jei supratote, ką sakiau anksčiau, ką ląstelė dabar gali padaryti, tai ji gali pagaminti tris ATP, naudodama tą ATP sintezę, o dabar pasinaudodama tais trimis siurblio baltymais ir paversdama juos trimis ATP. Ir tada, dienos pabaigoje, šie du elektronai susijungia su dviem vandenilio jonais ir aš parodysiu tai kaip pusė deguonies, kad duotų jums vandens. Ir tai, kas čia vyksta, iš esmės yra cukraus molekulė, C6H1206, sudeginama su šešiomis vandens molekulėmis ir tuo, kad gautumėte šešias C02 ir šešias ATP molekules, kad ląstelė iš esmės pasiektų tą patį. šiuo procesu tarsi būtų sudeginęs deguonimi. Išleidžiama tiek potencialios energijos. Ir bendras šio d-prime zero pokyčio kiekis yra kažkas iš eilės, manau, kad tai yra minus 686 kilokalorijos vienam moliui. Jis gali užfiksuoti kvėpavimą. Jis sugauna apie 60% šios energijos kaip ATP. Šis fermentacijos procesas, būtent šie procesai, vykstantys, kai nėra deguonies, yra žinomi kaip fermentacija. Kaip matote, ten daug mažiau efektyvus. Jis gauna daugiau kaip 3 % energijos, sugaunamos kaip ATP. Taigi galite pamatyti, kai aplinkoje atsirado deguonies, koks didžiulis tai buvo gyvenimo pakilimas, nes už tą patį pradinės medžiagos kiekį galite gauti daug daugiau energijos. Tačiau yra vienas dalykas, kurį ląstelė turi padaryti. Kad tai padarytų, ji turi atlikti dar šiek tiek chemijos, nes ji turi paimti tuos piruvatus ir kažkaip juos perleisti per šį dalyką, kurį aš vadinu citrinų rūgšties ciklu ir oksidaciniu fosforilinimu. Na, oksidacinis fosforilinimas iš esmės yra ši grandinė, kurią schematiškai nubraižiau jums čia. Ir tai yra lygis, kurį turėsite suprasti. Aš turiu galvoje, kad fiziškai tai bus krūva baltymų, įstrigusių membranoje, ir kai elektronai praeis, jie pumpuoja protoną, kai atsiranda šis kelias. Tačiau kitas dalykas, kurį turi padaryti ląstelės, yra paimti tuos du piruvatus ir sudeginti iki CO2 ir vandens. O kas vyksta, jei prisimenate tą oksidacijų grandinę, anglies dioksidas sėkmingai oksiduojamas iki pat anglies dioksido. Negalite būti daugiau oksiduotas, jei esate anglis. Tai turi reikšti, kad dar kažkas mažėja. Ir tai, kas sumažinama, kur eina elektronai, yra NADH. Taigi, kai atmosferoje atsirado deguonies, žaidimo pavadinimas buvo paimti tuos du piruvatus ir kažkaip sudeginti juos iki pat čia ir taip sukurti kuo daugiau NADH. Ir jei jūs galite padaryti keletą ATP kelyje gerai ir gerai. Taigi turėjo būti visiškai kitas cheminių reakcijų rinkinys, kuris yra toks pat sudėtingas kaip gamtoje atsiradusi glikolizė, kuri atliko tą darbą. Ir šį kartą aš nenagrinėsiu jūsų visų cheminių struktūrų. Galite pažvelgti į tai savo vadovėlyje ir panašiai, bet aš tikrai noriu, kad jūs žiūrėtumėte į anglies kiekį. Jei pažvelgsite į piruvato struktūrą, pamatysite, kad tai yra trys anglies atomai, ir tai buvo ši. Čia yra keto grupė ir rūgštinė grupė. Taigi tai beveik anglies dioksidas. Tai tik vienas oksidacinis žingsnis. Taigi šiame cikle nutinka taip, kad pirmiausia pašalinamas anglies dioksidas ir susidaro acetatas. Iš esmės tai čia yra su kažkuo sujungta. Ir tada tai patenka į šį dalyką, vadinamą citrinos rūgšties ciklu. Ir tai, kaip sakiau, yra cheminių reakcijų rinkinys, skirtas paimti šį piruvatą ir sudeginti iki anglies dioksido ir vandens bei generuoti kuo daugiau NADH ir ATP. Ir vėl norėčiau, kad būtų paprasčiau. Būtų tikrai puiku, jei tai būtų padaryta tiesiai iš acetato, bet vietoj to pamatysite, jei pažvelgsite į TCA ciklą, C4 junginį. Ir tai sujungiama, kad gautume C6 junginį. Ir tada jis oksiduoja vieną iš šių anglies, kad susidarytų anglies dioksidas. Dabar jūs pasiekėte C5. Tai daro dar kartą, kita C02 molekulė, jūs esate ties C4. Ir tada jis paima C4 anglies skeletą, atlieka kai kurias transformacijas, kurios leidžia šiam ciklui tęstis iš naujo. Taigi iš esmės C4 dalykas tiesiog praeina ciklą. Tai nešiklis, kuris paima šį C2 čia pat ir leidžia jį apdoroti, kad susidarytų dvi C02 molekulės. Šiame procese jis generuoja daugiau NADH, šiek tiek ATP ir savotišką sumažintą nešiklį, kurį šiuo metu galite įsivaizduoti kaip NADH. GERAI. Dabar mūsų ląstelių esybė, kuri atlieka šį kvėpavimo procesą – kvėpavimo. Taigi citrinų rūgšties ciklas ir mitochondrijos iš tikrųjų nėra mūsų citoplazmoje, o tai galbūt stebina, bet visi glikolizei reikalingi fermentai yra. Taigi prisimeni mano paprastą eukariotinės ląstelės diagramą pirmą dieną? Mes turėjome branduolį, kuris yra membranos skyrius, kuriame yra DNR, ir apie tai daugiau papasakosime kitoje paskaitoje, bet tada buvo keletas organelių. Ir vienas iš jų, sakiau, buvo mitochondrija. Pirmoje paskaitoje taip pat sakiau, kad dabar yra gana gerų įrodymų, kad mitochondrija atsirado dėl kokių nors ankstesnių eukariotinės ląstelės pirmtakų ar protėvių, užfiksavusių kokią nors bakteriją. Tai iš tikrųjų yra tokia, kuri yra tarsi susijusi su E. coli. Jis turėjo dvigubą membraną. Ir iš tikrųjų mitochondrijos vis dar turi dalį savo DNR, bet čia visa energija, visi citrinų rūgšties ciklo fermentai ir oksidacinis fosforilinimas yra mitochondrijos viduje, o ne kažkas, kas tikriausiai buvo naudojama. būti laisvai gyvenančia bakterija. Priešingai, glikolizės fermentai yra vadinamojoje ląstelės citoplazmoje, kuri yra tarsi pagrindinė ląstelės vidaus dalis. Taigi jūs netgi čia matote tokią evoliucijos istoriją, kurią aš tarsi išplatinau. Glikolizės fermentai atsirado taip anksti evoliucijos metu, kad jie yra beveik visų žemėje esančių organizmų citoplazmoje. Eukariotinės ląstelės sugeba išsiaiškinti, kaip gauti 18 kartų daugiau energijos cukraus molekulei, tačiau, kad tai padarytų, jos turėjo sukčiauti. Jie paėmė bakteriją ir sugalvojo, kaip tai padaryti, įdėjo ją į mūsų pačių ląsteles, o tada ji dabar gali paleisti, ji tapo mūsų ląstelės dalimi ir čia vyksta visas procesas. Ir jei pažvelgsite į mitochondrijos struktūrą, ji iš tikrųjų turi dvi membranas. Jūs ką tik pamatėte to nuotrauką, E. coli. Ir tai yra šiek tiek įtraukta. Taigi tai yra išorinė mitochondrijos membrana. Taigi aš iš esmės imu tai ir susprogdinu. Taigi tai yra mitochondrija. Ir viduje, ir išorėje, šiuo atveju yra vidinė membrana. Čia yra protonų siurblys. Čia vyksta ATP sintezė. O kai mitochondrija veikia, tai ji siurbia vandenilio jonus iš savo vidaus, o tai daugiau ar mažiau atitinka jos citoplazmą, tai yra tai, kas anksčiau buvo pirminės bakterijos citoplazma, išorėje į erdvę tarp vidinio ir išorinio. membranos. Tada jis generuoja ATP, tekėdamas atgal. GERAI. Taigi yra keletas dalykų, kurie turi įtakos jūsų gyvenimui. Vienas iš jų yra supratimas apie „pirmakursis penkiolika“ arba „pirmakursis penkiolika“ ar kas tai bebūtų. Ateini į koledžą ir staiga priaugai daug svorio. Kartais galite tai suprasti, nes valgėte daug „Ben & Jerry“ arba daug šokoladinių plytelių ar panašių dalykų ir nesportavote tiek daug. Kitas iš jūsų pasakė: va, dabar aš suprantu, kodėl aš nepriaugu svorio. Aš užsiimu vandensvydžiu ir, manau, viską, ką valgau, sudeginu kaip energiją. Ir tu teisus, bet dabar galiu tau parodyti molekuliniu lygmeniu, kas vyksta. Taigi, kas atsitiks, jūsų kūnas, viskas yra reguliuojama, ir jis gali pasakyti, ar jam reikia, jūsų kūno ląstelės gali pasakyti, ar jam reikia energijos. Jei jam reikia energijos ir jūs valgote cukrų, jis teka čia pat ir gamina ATP. Bet jei valgėte pakankamai ir jūsų kūną stebintys dalykai sako, kad turite pakankamai ATP, tada šis procesas nevyksta. Vietoj to, jis jį sustabdo ir sako, kad mes ką nors atidėsime lietingą dieną, o tai, jūsų manymu, yra labai prasminga evoliucijoje. Žinote, jei viskas gerai, tiesiog užmušate mamutą ir kurį laiką galite gerai pavalgyti. Būtų prasminga, jei jūsų kūnas galėtų susikrauti daiktus. Taigi, ką jis daro, tai sulaiko procesą šiame lygyje, šiame C2 lygyje. Piruvatas patenka į čia, ir vietoj to, kad jis būtų paleistas per ATP, šis acetatas arba acetilo fragmentas, kuris yra C2, patenka per dviejų nuoseklių anglies priedų ciklą. O iš to išeina riebalų rūgštys. Taip pat reikia trijų fosforo gliceraldehido. Galbūt prisiminsite tai. Tai vienas iš produktų, įstrigusių to glikolizės kelio viduryje. Taigi tai yra trijų anglies junginys. Jis paverčia jį gliceroliu, kuris yra trijų anglies junginys. Ir jei pažvelgsite atgal, kai prieš porą paskaitų kalbėjome apie lipidus, suprasite, kas atsitiks, jei sujungsite riebalų rūgštis su gliceroliu, tada turėsite riebalų. Ir iš esmės turiu galvoje, kad taip ir atsitinka. Priaugame svorio, jei suvalgome daugiau nei sudeginame. Mūsų kūnai sako: gerai, aš turiu tiek ATP, kiek mums reikia. Aš paimsiu dalį to ATP ir panaudosiu tokiu būdu. Čia tik sekundė. Aš pažiūrėsiu – taigi, atsitinka dar vienas dalykas – fiziologinis dalykas, kurį patiriame. Na, atrodo, kad šiuo metu esame įstrigę. Aš dėl to nesijaudinsiu. Nubėgau keletą maratonų. Nežinau. Kai kurie iš jūsų gali turėti. Jei ne beveik visi esate girdėję apie „atsitrenkimą į sieną“. Ir tai paprastai nutinka maždaug 21, 22, 23 mylių atstumu. Tai priklauso nuo būklės, kurią darote. Ir fiziologiškai aš tai patyriau, tai nuostabu, suprantu, kodėl jie tai vadina atsitrenkimu į sieną. Bėgi kartu ir galvoji, vaike, aš pavargau, bet man viskas gerai. O per ketvirtį mylios tarsi atsitrenktum į plytų sieną. Ir jūs galite tarsi išlaikyti save, bet tai yra gilus fiziologinis pokytis. O tuo metu atsitiko tai, kad jums pritrūko cukraus, kurį galite sudeginti. Dabar aš jums sakiau, kad galite paimti cukrų ir galite juos polimerizuoti į glikogeną. Tai vienas iš tų polimerų, turinčių alfa 1,4 jungtis. Tai cukraus saugojimo molekulė. Taigi, jei pradedate bėgioti, kaupiate angliavandenius, stengiatės į glikogeną įtraukti tiek cukraus, kiek galite. Pradedi bėgti maratoną. Jūsų kūnas pradeda vartoti glikogeną ir skaidyti jį į cukrų. Jis paleidžia jį per tą procesą. Kas atsitinka, kai atsitrenki į sieną kaip žmogaus kūną, daugumos žmonių kūnai yra sukurti taip, kad pritrūktų cukraus. Jūs tiesiog negalite įkrauti tiek angliavandenių, kad nuvažiuotumėte 26 mylias. Ten galite gauti per 20 ar panašiai. O kai to pritrūksite, kas atsitiks, jūsų kūnas nebegali deginti cukraus, todėl perėjo prie riebalų rūgščių deginimo. Ir tai mažiau efektyvu, ir jūs tai tikrai jaučiate. Jei kas nors iš jūsų užsiėmė ilgos ištvermės sportu, triatlonu ar ką nors, ką patyrėte, tai pasikeitė. Paskutinis dalykas, norint baigti šios dienos paskaitą, yra vienas dalykas, kurį galite įvertinti. Mielės yra kažkas, kas gali padaryti abu šiuos dalykus, tiesa? Jis gali augti anaeorbiškai. Ir tai daro C02 ir etanolį. Arba gali augti aerobiškai. Tai suteikia jai du ATP vienai gliukozei ir 36 ATP vienai gliukozei. Taigi, jei būtumėte mielės, turėtumėte kažkaip reguliuoti glikolizės greitį, priklausomai nuo to, ar aplink yra deguonies, ar ne. Ir tai labai keblus ir tvarkingas būdas.Yra fermentas, kuris jūsų nenustebintų, turintis aktyvią vietą vienam iš pagrindinių žingsnių kelyje, kai jis pereina nuo fruktozės-1-fosfato, fruktozės-6-fosfato į fruktozę-1,-difosfatą. Tai vienas iš tarpinių glikolizės etapų. Tai fermentas, kuris riboja greitį. Galite kontroliuoti, kaip kažkas praeina per kelią, ribojant tik vieną žingsnį. Taigi čia yra vieta, kur gali prisijungti fruktozė 6 fosfatas ir ATP, ir tai katalizuoja fruktozės-1, -difosfato susidarymą. Tačiau šis fermentas turi veikti skirtingu greičiu, priklausomai nuo to, ar ląstelė yra aerobinė ar anaerobinė. Taigi čia yra antra įrišimo vieta. Ir jei jis suriša ATP, tai pagreitina, atleiskite, sulėtina greitį, kuris čia katalizuojamas. Ir to tikėjotės. Jei jame yra pakankamai ATP, glikolizės nereikia taip greitai. Jis taip pat susieja AMP arba ADP, o tai pagreitina greitį. Taigi mielės gali stebėti, kontroliuoti, kaip greitai cukrus teka per šį glikolitinį kelią. Ir tai, ką jie iš tikrųjų daro, yra tai, kad jie stebi, ar turiu pakankamai ATP, ar ne? Taigi, jei jie bėga kvėpuodami ir gamina daug dalykų, jiems nereikia taip greitai atlikti glikolizės. Jei jie yra anaerobiniai, jie turi bėgti 18 kartų greičiau, kad gautų tą patį energijos kiekį. GERAI? Kitą paskaitą pradėsime nuo fotosintezės, o tada pereisime prie molekulinės biologijos. GERAI?


10 paskaita

Daugumoje sistemų ATP sintazė sėdi membranoje ("sujungimo" membranoje) ir katalizuoja ATP sintezę iš ADP ir fosfato, skatinamą protonų srauto per membraną žemyn protonų gradientu, kurį sukuria elektronų pernešimas. Srautas eina iš protochemiškai teigiamos (P) pusės (didelis protonų elektrocheminis potencialas) į protochemiškai neigiamą (N). ATP sintazės katalizuojama reakcija yra visiškai grįžtama, todėl ATP hidrolizė sukuria protonų gradientą, pakeisdama šį srautą. Kai kuriose bakterijose pagrindinė funkcija yra veikti ATP hidrolizės kryptimi, naudojant fermentacinio metabolizmo sukurtą ATP, kad būtų užtikrintas protonų gradientas, skatinantis substrato kaupimąsi ir palaikyti jonų pusiausvyrą.

ADP + Pi + nH + P ATP + nH + N

Kadangi EM matomos struktūros, subvienetų sudėtis ir subvienetų sekos atrodė labai panašios, buvo manoma, kad mechanizmai, taigi ir stechiometrija, bus vienodi. Šiame kontekste stebina įrodymai, rodantys, kad H + / ATP (n aukščiau) stechiometrija skiriasi priklausomai nuo sistemos. Vertės, pagrįstos ATP/2e – ir H + /2e – santykiais, rodo, kad n buvo 3 mitochondrijoms ir 4 – chloroplastams, tačiau šios vertės buvo pagrįstos sveikųjų stechiometrijų prielaida. Nors visi F1F0Tikėtina, kad tipo ATP sintezės turėjo bendrą kilmę – ir prielaidą, kad stechiometrijos yra vienodos, ir kad n yra sveikas skaičius, kyla abejonių dėl atsirandančių struktūrinių duomenų (žr. toliau).

Mitochondrijose P pusė yra tarpmembraninė erdvė, o N pusė yra mitochondrijų matrica bakterijose, P pusė yra išorė (gramneigiamų bakterijų periplazma), N pusė yra citoplazma chloroplastuose, P pusė yra liumenas. o Š pusėje stroma.

ATP sintazės subvieneto sudėtis

Tirpi dalis, F1 ATP-azė, yra 5 subvienetai, kurių stechiometrija yra 3 a : 3 b : 1 g : 1 d : 1 e . Trys substrato surišimo vietos yra b-subvienetuose. Papildomos adenino nukleotidų surišimo vietos a-subvienetuose yra reguliuojamos. F1 dalis katalizuoja ATP hidrolizę, bet ne ATP sintezę.

F disociacija1 ATP-azė iš bakterijų ar organelių membranų palieka membranoje įterptą dalį, vadinamą FO. Tai susideda iš (į E. coli) trijų subvienetų a, b ir c, kurių santykinė stechiometrija yra 1:2:9-12. C-subvienetas yra labai hidrofobinis ir sudaro spiralės posūkio spiralės struktūrą, kuri du kartus apima membraną, o F tvirtinimo pusėje yra hidrofilinė kilpa.1. C-galinės spiralės membranos pusiaukelėje yra konservuota rūgštinė liekana.

Po disociacijos membranos yra pralaidžios protonams. Protonų nutekėjimą galima sustabdyti pridedant inhibitorių, kurie taip pat yra ATP sintezės inhibitoriai funkciniame komplekse. Paprastai naudojami du „klasikiniai“ inhibitoriai. Oligomicinas jungiasi prie sąsajos tarp Fo ir F1 dicikloheksilkarbodiimidas (DCCD) kovalentiškai jungiasi su konservuota rūgštine liekana F c-subvieneteo. Vienai ATP-azei pakanka vieno DCCD, kad blokuotų apyvartą, o tai rodo bendradarbiavimo mechanizmą. Šių inhibitorių veikimas rodo, kad protonų pralaidumas Fo yra jos funkcinio mechanizmo dalis.

Protonų nutekėjimą galima užkimšti, o funkcinę ATP sintazę galima atkurti, pridedant F1 dalis į membranas, kuriose yra Fo porcija.

Šis pilnas vaizdas E. coli kompleksas, naudojant vaizdo vidurkį ir krioelektroninę mikroskopiją, o iš jo gautas modelis, rodantis antrąjį kotelį, yra iš Rod Capaldi pagrindinio puslapio. (Pastaba: skirtingų šaltinių ATP sintazėse subvienetų raidės skiriasi.)

F struktūra1 ATP-azė

Šiuo metu turimos ATP-sintazės subvienetų struktūros.

Baltymas buvo kristalizuotas dalyvaujant ADP ir ATP analogui AMP-PNP, kuriame du galiniai ATP fosfatai buvo pakeisti nehidrolizuojamąja imidifosfato grupe. Trijuose a-subvienetuose buvo AMP-PNP. Trijuose b-subvienetuose buvo arba ADP (b DP), AMP-PNP (g TP) arba be nukleotido (g E).
Norėdami pamatyti didelę versiją, spustelėkite paveikslėlius.


Kairėje: F struktūra1 ATP-azė, žiūrint iš šono. A -subvienetai rodomi geltonai, b -subvienetai - raudonai, o g -subvienetai - mėlynai. Karikatūra viršuje kairėje rodo orientaciją. Atkreipkite dėmesį, kad a - b -subvienetai pakaitomis sukasi žiedu aplink g -subvienetą, kuris sudaro strypą viduryje. A - ir b -subvienetai yra diferencijuojami pagal indeksą, nurodantį kiekvienos a - b -poros b -subvieneto aktyviosios vietos užimtumą: E - tuščias DP - ADP TP - ATP analogas, AMP-PNP. Mastelio juosta yra 20 Å.
Dešinėje: vertikalus pjūvis per kompleksą per a -TP/b -DP įstrižainę, pažymėtą animaciniame filme.


Kairėje: vertikalus pjūvis per kompleksą per a -E/b -TP įstrižainę, pažymėtą animaciniame filme.
Dešinėje: vertikali pjūvis per kompleksą per a -DP/b -E įstrižainę, pažymėtą animaciniame filme.
Pastaba kaip atsidaro veržliarakčio „žandikaulis“, kai svetainė tuščia (rodyklė paveikslėlyje dešinėje).


Vaizdas į kompleksą iš membranos (žiūrint į N fazę).


Kairėje: horizontalus pjūvis per kompleksą viršuje, rodantis b lakšto struktūrą, kuri sudaro dangtelį virš katalizinės srities. Mastelio juosta yra 20 Å.
Dešinėje: horizontalus pjūvis per kompleksą per katalizinį domeną, kuris daugiausia yra spiralinis.


Kairėje: apskaičiuoto a , b movos elektrostatinio paviršiaus potencialo vaizdas, kurį sudaro po b lakšto dangteliu esanti struktūra, rodantis neigiamo (raudono) ir teigiamo krūvio sritis bei daugiausia neutralią (hidrofobinę) „skylę“ tešla-riešutas, pro kurį išsikiša viršutinė g -subvieneto dalis. Vaizdas yra iš baltymo vidaus.
Dešinėje: panašus g-subvieneto paviršius, bet žiūrint iš šono, kuriame matyti hidrofobinis daugumos strypo paviršius, bet pažymėta neigiamai įkrauta poliarinė sritis pusiaukelėje. Viršutinė strypo dalis slysta į įvorę, parodytą pav. kairėje, kaip skerspjūvyje rodo rutulio ir lazdos konstrukcija.


Skerspjūvis per struktūrą, parodantis paviršius ir pabrėžiantis g-subvieneto tinkamumą a , b žiede. Taip pat parodyta surišto ATP analogo (AMP-PNP) vieta b TP-subvienetas. Atkreipkite dėmesį, kaip iškilimas, įvestas į g-subvienetą horizontalia spirale, atsiremia į b. TP-subvienetas, ir verčia pakeisti konformaciją. Siūloma, kad g-subvieneto sukimasis a, b-žiede sukelia konformacinius pokyčius nuosekliose a, b-porose, kad būtų surišti pokyčiai, kurių tikimasi iš surišimo pokyčio mechanizmo (žr. toliau).

F1-ATP ase Chime pamokoje. (Mokomoji medžiaga leidžia tyrinėti failus 1bmf (originali Abrahams ir kt. struktūra) ir 1e79 (struktūra su DCCD, g visiškai išspręsta ir d bei e subvienetai).

F mechanizmas1 ATP-azė

ATP sintazė veikia per mechanizmą, kuriame trijų aktyvių vietų jungimosi afinitetas pasikeičia su ATP-azės reakcijos reagentais, ATP, ADP ir fosfatu, kaip iš pradžių numatė Paul Boyer. Afiniteto pokytis lydi g-subvieneto padėties pasikeitimą a, b-žiedo atžvilgiu, o tai reiškia, kad vienas sukasi kito atžvilgiu. ATP sintezės kryptimi sukimąsi skatina H + srautas žemyn protonų gradientu per jungtį tarp g-subvieneto ir F-subvieneto.O. Šis sukimasis dabar buvo įrodytas eksperimentiškai.

Eksperimentinis rotacinio modelio palaikymas

Biofizinis požiūris

Šis sukamasis judesys buvo užfiksuotas dramatiškuose vaizdo įrašuose iš Masasuke Yoshida laboratorijos. Šiame darbe F1-ATPazė buvo pririšta prie stiklo paviršiaus b-subvienetu, naudojant His-žymą, įvestą į baltymą N-gale, ir NTA-ligandą ant stiklo (žr. Junge ir kt. TIBS straipsnio iliustraciją žemiau).
Judesys buvo aptiktas prie g-subvieneto pritvirtinus aktino siūlą, kuris buvo pažymėtas fluorescencinėmis grupėmis, kad būtų matomas, ir užfiksuotas naudojant vaizdo kamerą, pritvirtintą prie mikroskopo. Judėjimas buvo matomas tik ATP hidrolizės sąlygomis, o judėjimo kryptis visada buvo prieš laikrodžio rodyklę žiūrint iš Fo dalis, suteikianti katalizinio mechanizmo ženklą.

Hiroyuki Noji, Ryohei Yasuda, Masasuke Yoshida ir Kazuhiko Kinosita Jr. (1997) Tiesioginis F1-ATPazės sukimosi stebėjimas. Gamta, 386, 299–302.

  1. Sabbert D. Junge W. (1997) Pakopiniai ir nuolatiniai sukamieji varikliai molekuline skale. Proc. Natl. Akad. Sci. (JAV) 94, 2312-2317.
  2. Sabbert D. Engelbrecht S. Junge W. (1997) Funkcinis ir tuščiosios eigos sukamasis judesys F-1-ATPazės viduje. Proc. Natl. Akad. Sci. (JAV) 94, 4401-4405.
  3. Hasler K. Engelbrecht S. Junge W. (1998) Trijų pakopų gama ir epsilono subvienetų sukimasis atskirose F molekulėse1-ATPazė, atskleista poliarizuotu konfokaliniu fluorometru. FEBS Lett. 426, 301-304.
  4. Junge W. Lill H. Engelbrecht S. ATP sintazė – elektrocheminis keitiklis su rotacine mechanika. TIBS 22, 420-423.

Biocheminis požiūris

Duncan, T.M., Bulygin, V.V., Zhou, Y., Hutcheon, M.L. ir Cross, R.L. (1995) Subvienetų sukimasis katalizės metu E. coli F1-ATPazė. Proc. Natl. Akad. Sci., USA 92, 10964-10968.) Aukščiau pateiktame animaciniame filme, kuriame parodytas Paulo Boyer surišimo ir keitimo mechanizmas, g-subvieneto (geltonos spalvos) sukimasis a, b žiedo atžvilgiu (trys a, b poros pavaizduotos skirtingais žalios arba mėlynos spalvos atspalviais) skatina. reagentų surišimo afiniteto pokytis, kaip čia pavaizduotas vietos konformacijos pasikeitimas diagramoje einant iš kairės į dešinę. 2 veiksme ATP spontaniškai susidaro iš glaudžiai surišto ADP ir Pi. Mechanizmas buvo pasiūlytas dar prieš tai, kai struktūra buvo žinoma, todėl struktūra puikiai patvirtina modelį. The Orašiklio vieta atitinka Etuščia statinio vieta, Ttiesi vieta iki ATP svetainę ir Loose svetainę į ADP svetainę.

  • Išsamus 32 P izotopų mainų tarp ATP, ADP ir neorganinio fosfato ir 18 O tarp H matavimas2O ir ATP iš pradžių paskatino Boyerį manyti, kad mechanizmas susijęs su energija susijusio afiniteto reagentams pokyčiu.
  • Eksperimentai dėl katalizinės vietos užimtumo parodė, kad ATP hidrolizės reakcija buvo suderinta su ADP ir ATP santykiu, artimu 1.
  • Eksperimentuose, kurių metu fermentui buvo leista hidrolizuoti ATP reakcijos mišinyje, kurio [ATP] yra žymiai mažesnis nei [fermentas], Penefsky nustatė, kad reakcijos greitis buvo labai lėtas ir kad dalinės koncentracijos kinetika ir surišimo konstantos. reakcijas buvo galima lengvai išmatuoti. Tokiomis sąlygomis (vienos vietos katalizė) apyvarta yra apribota vienoje vietoje kiekviename F1, o normalus bendradarbiavimo ciklas negali vykti. Sulėtėjusi reakcijos kinetika leido sukonstruoti tokį termodinaminį reakcijų ciklą, kuriame pagal išmatuotas vertes galima apskaičiuoti D G o reikšmes (arba pusiausvyros konstantas) neišmatuotoms dalinėms reakcijoms. Tai patvirtino, kad pagrindiniai laisvosios energijos pokyčiai reakcijoje buvo susiję su reagentų surišimu ir atsirišimu, o ne su ATP hidrolize.


Pusiausvyros (K) ir kinetinės (k) konstantos, skirtos ATP hidrolizei F1 vienos vietos apyvartos sąlygomis. Kai kurių konstantų reikšmės yra šios:

k1 = 6,4 x 10 6 M -1 sek. -1
k-1 = 7 x 10 -6 sek -1
K1 =

k4 = 3,6 x 10 -4 sek -1
k-4 = 1,3 x 10 3 M -1 sek. -1
K4 = 0,3 x 10 -6 M

  1. DTNB buvo pridėtas kaip oksidatorius, kad susidarytų -S-S- jungtis
  2. F1 buvo padalintas į subvienetus, o nepažymėtas mišinys buvo sumaišytas su pažymėtu mišiniu 1:1 moliniu santykiu.
    Reasociacijos metu susidarė mišrūs kompleksai, kuriuose nepažymėtos g-S-S-b tilto poros buvo sujungtos su pažymėtais nesujungtais g ir b-subvienetais.
  3. Mišinys buvo sumažintas, kad sulaužytų tiltus, ATP buvo pridėta, kad būtų paskatintas apsivertimas, o tiltai buvo pertvarkyti pridedant oksidatoriaus.

Animacinis filmas, kuriame pavaizduotos dvi ATP sintazės dalys su g-subvieneto sukimu, kurį varo sujungimas su „varikliu“, susidedančiu iš F c-subvienetųO. C-subvienetai sudaro kompleksą, kuris juda membranoje F a-subvieneto atžvilgiu.O. Wolgango Junge pasiūlyta idėja (spustelėkite čia norėdami pamatyti modelį), kad a-subvienetas suteikia prievadą protonų įvedimui iš P fazės ir prievadą išėjimui į N fazę. Kai protonas patenka per P-fazės prievadą, jis neutralizuoja konservuotą rūgštinį likutį c-subvieneto spiraliniame plaukų segtelyje. Tik šioje neutralioje formoje (animacija iš Hongyun Wang pagrindinio puslapio) c-subvienetas gali pasisukti nuo asociacijos su a-subvienetu. Sukimasis atneša neutralų c-subvienetą į išėjimo prievadą, leidžiantį jam prarasti protoną ir susieti su a-subvieneto kompleksu. Iš eilės vykstančios protonacijos leidžia c-subvieneto kompleksui pasisukti 1/n x 360 o kiekvienam protonui, kur n yra c-subvieneto stechiometrija vienai ATP sintazei (9-12). Kadangi visiškas sukimasis skatina ATP sintezę kiekvienoje iš 3 katalizinių vietų, kiekvienam ATP reikia 3 arba 4 H+, – nustatyta stechiometrijoje. DCCD (žr. aukščiau) blokuoja mechanizmą, veikdamas kaip kovalentinis „veržliaraktis“, trukdantis kūriniams, kai yra prijungtas prie bet kurio vieno c-subvieneto.
Spauskite čia norėdami viso mechanizmo animacija.

Priedas prie FO.


Karikatūra, rodanti subvienetų, kurie jungiasi prie F1 skyrių į FO skyrius. Atkreipkite dėmesį, kad ATP sintazės kotelis dabar tapo dviem koteliais, vienas centrinis, sudarytas iš e- ir g-subvienetų, susietų su c-subvienetų kompleksu, o kitas periferinis, sudarytas iš d- ir b-subvienetų. Kodėl šis antrasis kotelis nematomas elektroninės mikroskopijos vaizduose? Capaldi teigia, kad priežastis atspindi vidurkį, kuris būtinas norint gauti aukštos kokybės vaizdus. Simetrinės struktūros, pvz., a , b žiedas ir centrinis kotelis, prisidės prie vidurkio, tačiau asimetrinės struktūros, pvz., periferinis kotelis, bus „suvidurkintos“ iš vaizdo, nebent bus ypač pasirūpinta, kad būtų atrinkti vaizdai su tokia funkcija. fiksuota orientacija.

F evoliucija1 ATPazė

Mielių struktūra F1FO kompleksas

Walkeris ir jo kolegos neseniai išsprendė kristalų struktūrą, kurioje yra išsamesnis mielių mitochondrijų ATP-sintazės kompleksas. Nors baltyme buvo visas subvienetų komplektas, kai kurie iš jų kristalizacijos metu atsiskyrė ir tik F subvienetas.0 buvo išlaikytas. Nepaisant to, modelis parodo proteolipidų, DCCD surišančių subvienetų (atitinkančių c-subvienetus E. coli). Jie yra išdėstyti žiede, kaip nenumatyta Junge mechanizme.

Santrauka: Adenozino trifosfato (ATP) sintazėje yra sukamasis variklis, dalyvaujantis biologinėje energijos konversijoje. Jo membranoje įterptas F0 sektoriuje yra sukimosi generatorius, maitinamas protonų varomąja jėga, kuri tiekia energiją, reikalingą ATP sintezei F.1 domenas. Elektronų tankio žemėlapis, gautas iš mielių mitochondrijų ATP sintazės subkomplekso kristalų, rodo 10 c subvienetų žiedą. Kiekvienas c subvienetas sudaro -spiralinį plaukų segtuką. Šešių–septynių c subvienetų tarpspiralinės kilpos glaudžiai liečiasi su centrinio kotelio g ir d subvienetais. Platus c žiedo ir kotelio kontaktas rodo, kad katalizės metu jie gali suktis kaip ansamblis.
Trumpa Chime pamoka apie mieles F1F0struktūra, pagrįsta C a -stuburo modeliu.

Tačiau didelį staigmeną sukelia skaičiavimas, rodantis 10 subvienetų. Sukamajame mechanizme su sveikųjų skaičių stechiometrija H + /ATP buvo tikimasi, kad c-subvienetų skaičius dalijasi iš 3, o a , b -porų stechiometrija F.1, kad gautumėte 9 (jei n = 3) arba 12 (jei n = 4).

Dar vieną staigmeną pateikė Norberto Dencherio ir Andreaso Engelio darbai, kurie panaudojo atominės jėgos mikroskopiją (AFM), kad ištirtų subvienetų, lygiaverčių c-subvienetui iš chloroplasto F, struktūrą.0 (III subvienetas), atkuriami į baltymų matricas, kurios savaime organizuojasi į žiedo struktūras. Čia c-subvienetų skaičius žiede yra 14.

Legenda: Chloroplasto ATP sintazės III subvieneto oligomerai, vizualizuoti 25 mM MgCl2, 10 mM Tris-HCl, pH 7,8, kambario temperatūroje, naudojant atominės jėgos mikroskopiją (Nanoscope III, Digital Instruments)11. Viršuje išsiskiriantys platūs ir siauri žiedai žymi du subvieneto-IIIx oligomero vidurinius, plačius oligomero galus, rodančius 14 subvienetų-III apatinius, siaurus oligomero galus. Visas šių topografų pilkos spalvos diapazonas buvo 2 nm.


Žiūrėti video įrašą: Gradients ATP Synthases (Birželis 2022).