ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Элементарный акт функционирования АТРсинтазы из "Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики" Важным и наиболее тщательно изученным процессом с участием молекулярных мащин является образование аденозинтрифосфата (АТФ или АТР) — универсальной энергетической разменной монеты в биологических системах, и гидролиз АТР, который удовлетворяет энергетические потребности всех энергоакцепторных процессов, как, например, синтез низко- и высокомолекулярных соединений, создание неравновесного распределения ионов металла и других низкомолекулярных частиц внутри гетерогенных тканей и внутриклеточных структур, механическое движение, люминесценция и т. д. [c.87] Как уже было ранее подчеркнуто, все биологические молекулярные машины являются машинами химическими.. Они осуществляют сопряжение между энергодонорными и энергоакцепторными химическими реакциями. В классической физической химии такое сопряжение требует присутствия общего интермедиата, участвующего в обеих реакциях. [c.88] Здесь K и Kj — константы равновесия реакций (4.21) и (4.22) соответственно. [c.88] Пусть реакция (4.21) — энергодонорная, а реакция (4.22) — энергоакцепторная. Детальный математический анализ этой ситуации можно найти в [31]. Здесь мы ограничимся объяснением, несколькими утверждениями и общим выводом. [c.88] Предположим, что наша система исходно находится в состоянии химического равновесия. Сдвиг равновесия энергоакцепторной реакции может быть вызван, например, повышением концентрации одного из реагентов, участвующих в энергодонорной реакции. Этот механизм имеет чисто статистическую природу. Поскольку энергетическое сопряжение осуществляется благодаря изменениям в концентрации одного из участников, то за производство химической работы ответственна энтропийная часть изменения свободной энергии. Это энтропийный механизм непрямого энергетического сопряжения химических реакций. Рассмотрим его более подробно. [c.88] Эту меру мы будем называть фактором конверсии. Эта мера особенно полезна в случае стационарного состояния открытых систем. [c.89] Вернемся теперь к синтезу АТР. Подавляющая часть молекул АТР (около 85 %) в животных бактериальных и растительных клетках синтезируются в мембранных внутриклеточных структурах (мембранное фосфорилирование). В аэробных организмах непосредственными источниками энергии (энергодонорные процессы) являются определенные стадии окисления пищи. В растениях и фотосинтезирующих бактериях первичными источниками явшяются, конечно, кванты света, энергия которых, после возбуждения хлорофилла, превращается в энергию в окислительно-восстановительных цепях электронного транспорта (ЦЭТ) в тилакоидных мембранах хлоропластов. [c.90] Детальные кинетические исследования, проведенные в лаборатории Чанса [54, 55], показали, что отсутствие сопряжения ускоряет перенос электрона через центр сопряжения. Эти стадии и определяют скорости электронного транспорта в митохондриях. [c.92] На рис. 4.17 представлена схема процесса сопряжения. В этом случае энергодонорной реакцией является перенос электрона от первоначального восстановленного переносчика (D ) на следующий переносчик ЦЭТ (Aq), который перед электронным переносом был окислен. [c.92] Эта схема работает, как для центров сопряжения ЦЭТ митохондрий, так и для ЦЭТ хлоропластов и фотосиитетических бактерий. [c.92] Ферменты, осуществляющие синтез АТР также идентичны во всех этих системах. [c.93] В 1962 году Шен и Шен (КНР) выполнили очень важный эксперимент, изучая индуцируемое светом мембранное фосфорилирование в хлоропластах высщих растений [56]. Освещение хлоропластов в отсутствие субстратов фосфорилирования (ADP и Р ) приводит к образованию некоторого энергизованного соединения или состояния х, которое способно обеспечить синтез АТР в темноте, после добавки ADP и Р,. Такие же эксперименты с теми же результатами были независимо (никто не читает китайских журналов) выполнены в США [57]. X не может быть образовано при температурах ниже —13° С, хотя индуцированный электронный транспорт продолжается и при температурах до -30° С. В отсутствие АТР и фосфата время жизни х в темноте равно около 0,5-1 с при 20° С и 45 с при 0° С. Образование X сопровождается конформационными изменениями мембраны. Эти изменения, вероятно, являются вторичными процессами. Если х образуется во время освещения, то в темноте после добавления субстрата фосфорилирования может быть синтезировано до 30 молекул АТР в каждой ЦЭТ [56-58]. [c.93] Таким образом, ясно, что в схему, показанную на рис. 4.17, мы должны включить X, которую обычно называют энергизованным интермедиатом или первичным макроэргом (рис. 4.18). [c.93] В настоящее время ясно (мне, по крайней мере), что Вильямс был прав, а Митчелл ошибался. [c.94] С другой стороны, по Вильямсу, первичный макроэрг представляет собой локальный зарад, образс ванный при отрыве протона от электрона в ходе соответствующей р еакции. Возникновение такого протона на самом деле представляет собой образование неравновесного состояния, определенного локального центра. Это согласуется с концепцией МакКлэйра о том, что сохраняемая энергия может выполнить работу только в ходе переноса к другой форме сохраняемой энергии. [c.95] Детальный анализ различи концепций Митчелла и Вильямса можно найти в монографиях 31,41]. Рассмотрим теперь образование таких неравновесных состояний в электрон-транспортной цепи митохондрий и в ферменте ДТРринтазы. [c.95] На рис. 4.20 изображены структуры активных центров в биядерных и тетроядерных железосерных белках. 2)ти центры, как правило, содержат два или четыре атома железа. Каждый атом железа находится в тетраэдрическом окружении серных ли гандов два цистеиновых остатка соединяют железо с белком, а два атома неорганической серы образуют мостики между атомами железа. Железосерные центры являются одноэлектронными переносчиками. В окисленном, основном, состоянии центр диамагнитен. Одноэлектронное восстановление превращает его в парамагнитный центр, который может быть зарегистрирован методом ЭПР. [c.96] Вернуться к основной статье