АТР-синтетаза перенос протонов

В митохондриальном матриксе, так же как и в строме хлоропласта, величина pH равна 8, но она создается за счет переноса протонов из органеллы наружу, а не в какой-то ее внутренний компартмент. Так как pH цитоплазмы поддерживается на уровне около 7,0, большая часть протонодвижущей силы на внутренней митохондриальной мембране создается не градиентом pH, а мембранным потенциалом. Однако и в митохондриях, и в хлоропластах каталитический компонент АТР-синтетазы находится в большом компартменте органеллы, который имеет pH 8,0 и заполнен растворимыми ферментами (соответственно в матриксе и в строме). Поэтому именно здесь образуется весь АТР органеллы (см. рис. 9-52). [c.46]

Наиболее привлекательной чертой хемиосмотической гипотезы для исследователей, занимающихся биоэнергетикой, было то, что она позволяла сразу предложить ряд экспериментов, в которых можно было бы проверить ее предсказания. В результате дальнейшее обсуждение проблемы велось по трем направлениям. Во-первых, верен ли главный постулат и является ли протонный электрохимический градиент необходимым и достаточным условием энергетического сопряжения Во-вторых, является ли протонный цикл делокализованным, происходит ли он во внешней водной фазе, согласно Митчеллу, или же существуют локальные протонные микроциклы между отдельными комплексами дыхательной цепи и АТР-синтетазы согласно Вильямсу В-третьих, какова роль векторной транслокации групп и конформационных изменений белков в молекулярном механизме переноса протонов [c.25]

СТЕХИОМЕТРИЯ ПЕРЕНОСА ПРОТОНОВ В АТР-СИНТЕТАЗЕ [c.84]

Стехиометрические соотношения переноса протонов в дыхательной цепи и при синтезе АТР — это вполне определенные величины, даже если их истинные значения остаются предметом дискуссий. В то же время общая стехиометрия синтеза АТР по отношению к уровню дыхания может варьировать от теоретического максимума (около одной молекулы АТР на 2е , перенесенных через пункт сопряжения) до нуля в зависимости от величины протонной утечки, идущей в обход АТР-синтетазы (рис. 4.1). Всякое воздействие, повышающее проводимость мембраны, будет понижать долю протонов, переносимых с помощью АТР-синтетазы. При повышении СмН+ снижается величина [c.94]

Иногда можно встретить утверждения, что гипотеза петель требует, чтобы петли полностью пересекали мембрану и соответствующие редокс-переносчики выходили на ее наружную поверхность. Однако для функционирования петли необходима лишь возможность выхода протонов на наружную сторону мембраны. Можно предполагать, что все редокс-переносчики расположены вблизи от внутренней поверхности мембраны и перенос протонов осуществляется с помощью специальных протонных каналов, аналогичных компоненту Ро АТР-синтетазы (разд. 7.3). [c.114]

Рис. 7.3. Условия для переноса протонов через мембрану в интактных и лишенных Fl органеллах. Интактная АТР-синтетаза проводит протоны только сопряженно с синтезом АТР (А). Переноса протонов не происходит, если синтез АТР блокирован (Б). В мембранах, лишенных Fi (В), происходит неконтролируемый перенос протонов через АТР-синтетазу, который чувствителен к ингибиторам, действующим на Fo, например к олигомицину (Г).

Согласно одной из гипотез о механизме переноса протонов в дыхательной цепи (модель петель) выброс протонов из матрикса происходит в результате транспорта электронов мевду переносчиками П-атомов и чисто электронными переносчиками. К атомным переносчикам относят ФМП, убихинон, цитохром с- оксидазу. По теории Митчелла электрохимический трансмембранный потенциал ионов водорода является источником энергии для синтеза АТФ за счет обратного тока протонов через канал мембранной АТФ-синтетазы (Скулачев, 1989). [c.136]

Вероятно, у разных компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения транспорта электронов с перемещением протонов. Аллостерические изменения конформации белковой молекулы, связанные с транспортом электронов, могут в принципе сопровождаться перекачиванием протонов, подобно тому как перемещаются протоны при обращении действия АТР-синтетазы (разд. 7.2.3). Кроме того, как уже упоминалось, при переносе каждого электрона хинон захватывает из водной среды протон, который затем отдает при высвобождении электрона (см. рис. 7-30). Поскольк убихинон свободно передвигается в липидном бислое, он может принимать электроны вблизи внутренней поверхности мембраны и передавать их на комплекс b- i около ее наружной поверхности, перемещая при этом через бислой по одному на каждый перенесенный электрон. С помощью более сложных моделей можно объяснить и перемещение комплексом Ь-С двух протонов на каждый электрон, предположив, что убихинон повторно проходит через комплекс b- i в определенном направлении. [c.456]

Митохондриальная АТР-синтетаза тоже перемещает протоны через внутреннюю мембрану. Поскольку этот процесс обратим, фермент может не только использовать энергию гидролиза АТР для переноса через мембрану при наличии достаточно большого протонного градиента протоны начинают течь через АТР-синтетазу в обратном направлении, что сопровождается синтезом АТР [c.16]

Электрохимический потенциал способен совершать полезную работу, он заставляет протоны двигаться в обратном направлении, но мембрана непроницаема для них, кроме отдельных участков, называемых протонными каналами. Обратный перенос протонов в матрикс является экзоэргическим процессом, высвобождающаяся при этом энергия используется на фосфорилирование АДФ. Эту реакцию катализирует фермент Н+-АТФ-синтетаза, располагающаяся в области протонных каналов на внутренней поверхности внутренней мембраны (подробнее см. тему Транспорт ). [c.177]

Возможный механизм фотофосфорилирования 1) при перемещении электронов на окисленный Р700 в мембране тилакоида из стромы хлоропласта внутрь тилакоида переносятся протоны 2) под действием света при участии пигмента Рб д внутри тилакоида происходит фотолиз воды и накапливаются протоны 3) в результате на мембране тилакоида создается электрохимический потенциал, величиной около 0,25 В 4) протоны не могут пересечь мембрану тилакоида в любом месте, а только в области протон-зависимой АТФ-синтета-зы, состоящей из протонного канала в мембране тилакоида СРд и сопрягающей части фермента СР (состоит из пяти субъединиц) 5) при возвращении трех протонов из тилакоида в строму хлоропласта через канал и сопрягающую часть АТФ-синтетазы синтезируется [c.197]

Одновременно с фотосинтетическим транспортом электронов происходит перенос протонов из стромы хлоропласта во внутритилакоидное пространство — возникает трансмембранный электрохимический градиент ионов водорода (рН-градиент), используемый затем комплексом фермента АТФ-синтетазы для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата в процессе фотосинтетического фосфорилирования. При нециклическом токе электронов и сопряженном с ним фотофосфорилировании происходит образование восстановителя НАДФН и АТФ. При альтернативных путях переноса электронов — циклическом и псевдоцикличес-ком — образуется только АТФ. [c.421]

Эта реакция сильно сдвинута вправо за счет повышения трансмембранного АрН и движения анионов X и УО к внешней поверхности под действием сил трансмембранного электрического поля. На схеме (XXIV.5.1) природа X и У по-прежнему остается неизвестной. Однако главный недостаток хемиосмотического принципа сопряжения состоит в том, что роль АрН здесь сводится лишь к пассивному фактору, сдвигаюш ему химические равновесия в системе реакций. В самом деле, величина АрН в соответствии с представлениями классической термодинамики и кинетики определяет среднестатистическую вероятность, или среднее число актов переноса протонов между поверхностями мембраны, разделенными энергетическим барьером АрН+ [ср. (XIV.1.1)]. Однако само по себе значение АрН+ не раскрывает молекулярных механизмов процесса прохождения единичного протона через Н+-АТФ-синтетазу и синтеза АТФ в активном центре. Иными словами, несмотря на успех хемиосмотической теории, доказавшей роль АрН в качестве движуш ей силы синтеза АТФ, одного лишь концентрационного градиента протонов недостаточно для понимания молекулярного механизма сопряжения. Необходимо принимать во внимание активную роль протонов, непосредственно взаимодействуюш их с макро-молекулярным комплексом Н -АТФазы. [c.220]

В экспериментах, проведенных в 1974 г., было очень наглядно показано, как работает АТР-синтетаза К тому времени уже были разработаны методы введения интегральных мембранных белков, предварительно солюбилизированных с помощью детергента, в липидные пузырьки (липосомы), приготовленные из очищенных фосфолипидов (см. разд. 6.1.2). Это позволило создать гибридную мембрану, которая одновременно содержала очищенную митохондриальную АТР-синтетазу и бактериородопсин, выполняющий у бактерий функцию светозависимого протонного насоса (см. разд. 6.2.7). При освещении таких пузырьков протоны, накачиваемые внутрь бактериородопсипом, выходили наружу через АТР-синтетазу, и в результате в окружающем растворе накапливался АТР (рис. 7-25). Так как прямое взаимодействие между бактериальным протонным насосом и АТР-синтетазой млекопитающих вряд ли возможно, этот эксперимент указывает на то. что и в митохондриях активный перенос протонов и синтез АТР - это, по всей вероятности, два раздельных процесса в общем механизме окислительного фосфорилирования. [c.448]

Если АТР-синтетаза в норме не транспортирует из матрикса, то дыхательная цепь, находящаяся во внутренней митохондриальной мембране, при нормальных условиях переносит протоны через эту мембрану, создавая таким образом электрохимический протонный градиент, который в свою очередь приводит в действие АТР-синтетазу. При определенных условиях можно экспериментально продемонстрировать способность дыхательной цепи откачивать протоны из матрикса. Можно, например, обеспечить взвесь изолированных митохондрий подходящим субстратом для окисления, а поток протонов через АТР-синтетазу блокировать соответствующим ингибитором. В анаэробных условиях небольшая добавка кислорода к такому препарату вызовет вспышку дыхательной активности, которая будет длиться одну-две секунды-пока весь кислород не израсходуется. Во время такой вспьппки дыхания с помощью чувствительного рН-электрода можно зарегистрировать внезапное подкисление среды в результате выталкивания ионов из матрикса митохондрий. Через одну-две минуты pH вернется к первоначальному уровню, так как протоны проходят через мембрану обратно по различным медленным каналам (рис. 9-29). [c.28]

В хлоропластах протекают реакции фотосинтеза, т. е. богатые энергией электроны, поступающие в цепь переноса электронов, образуются в результате воздействия света на хлорофилл, а не при окислении питательных веществ. Таким образом, хлоропласты-это органеллы, в которых вещества главным образом синтезируются, а не распадаются. Здесь имеются электронные потоки двух типов 1) нециклический поток, осуществляемый при участии двух последовательно связанных фотосистем, которые переносят электроны с воды на ЫАОР с образованием ЫАОРН, причем этот процесс сопряжен с синтезом АТР и 2) циклический поток, который поддерживает лишь одна фотосистема, передающая электроны по замкнутой петле в этом случае образуется только АТР. Оба электронтранспортных процесса происходят в мембране тилакоида и приводят к переносу протонов в тилакоидное пространство. В результате обратного тока протонов через АТР-синтетазу в строме у поверхности тилакоида образуется весь АТР хлоропластов. [c.47]

Таким образом, всякая сопрягающая мембрана содержит две протонные помпы. Движущей силой для одной из них служит перенос электронов или доглощение фотонов, а для другой-гидролиз АТР (рис. 1.1). Обе помпы ориентированы в мембране одинаково . перенос электронов по цепи (от высокопотенциальных доноров к акцепторам) и гидролиз АТР АТР-синтетазой приводят к трансмембранному переносу протонов в одном направлении ( рис. 1.1). И в том и в другом случае перенос протонов через мембрану тесно связан с переносом электронов или гидролизом АТР. [c.11]

На рис. 1.2 показано, как такие помпы могут быть использованы для непрерывного синтеза АТР. Если создать условия, в которых активна лишь АТР-синтетаза, и добавить к органел-лам АТР, то гидролиз АТР и перенос протонов будут происходить до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между энергией, освобожденной а б [c.11]

Митчелл в 1961 г. отмечал, что модели сопряжения переноса электронов с транспортом протонов рассматривались еще в 40-х годах (Lundegardh, 1945 рис. 1.14). Новизна гипотезы Митчелла состояла в предположении, что АТР-синтетаза в митохондриальной и фотосинтетической мембранах также способна переносить протоны и таким образом использовать энергию [c.23]

Хемносмотическая гипотеза в том виде, как она была предложена и развивалась Митчеллом, оставалась тесно связанной с концепцией векторной транслокации групп. Белкам дыхательной цепи отводилась пассивная роль они содержали простетические группы и формировали векторные пути переноса. В 1965 г. Бойер впервые сформулировал идею о том, что при окислительно-восстановительных переходах в белках происходят конформационные изменения, в частности такие изменения происходят в АТР-синтетазе. В конформационной теории , в ее первоначальном виде, предполагалось, что конформационные изменения, возникающие в дыхательной цепи, могут прямо передаваться близко расположенной АТР-синтетазе и вызывать в ней напряжение , энергия которого используется для синтеза АТР. В этой модели не было места протонному градиенту. Хотя гипотеза прямого конформационного сопряжения и не выдержала испытания временем (Boyer et al., 1977), но идея о важной роли конформационных переходов в механизме переноса протонов получила широкую поддержку как альтернатива гипотезе векторной транслокации групп (разд. 5.4). [c.25]

Сам факт конформационных изменений в Fi еще не дает объяснения механизма сопряжения синтеза АТР и переноса протонов. Как и в случае конф.ормационных моделей переноса протонов в электронтранспортной цепи (разд. 5.4), конформационная модель АТР-синтетазы должна включать ряд координированных стадий. Одна из простейших моделей показана на рис. 7.8. Согласно этой модели, энергия, запасенная в протонном электрохимическом потенциале, используется благодаря изменению сродства протонсвязывающего центра этот центр имеет низкое сродство, когда обращен в фазу с высоким электрохимическим потенциалом (Ц-фаза), и высокое сродство к протонам, когда обращен в фазу с низким электрохимическим потенциалом протонов (М-фаза). [c.157]

Такое протекание суммарного процесса приводит к важным термодинамическим последствиям. Во-первых, треть свободной энергии, накапливаемой в цитоплазматическом пуле ATP/ADP-fPi, поступает не от собственно АТР-синтетазы, а в результате протекания последующих транспортных процессов. Во-вторых, поскольку для синтеза цитоплазматического АТР используются три протона, а для АТР в матриксе лишь два, AGp в цитоплазме в состоянии 4 (разд. 3.2) может превышать на 50% AGp, поддерживаемый в матриксе или при работе вывернутых субмитохондриальных частиц. Действительно, было установлено, что в изолированных митохондриях AGp достигает 64 кДж-моль- (Slater et al., 1973), а в случае субмитохондриальных частиц не превышает 50 кДж-моль-. Тот факт, что для синтеза АТР используются три протона, необходимо учитывать при рассмотрении гипотетических механизмов переноса протонов в дыхательной цепи (разд. 4.3). [c.161]

Определение массы гриба показало, что она порядка 385 килодальтон, или в 385 тысяч раз больше массы атома водорода. Гриб оказался составленным из нескольких индивидуальных белков с массами от 10 до 55 килодальтон. Еще несколько белков с общей массой порядка 100 килодальтон было обнаружено в мембранной части протонной АТФ-синтетазы. Эти последние нужны для прикрепления гриба к мембране и переноса протонов через мембрану. Таким образом, суммарная масса одной молекулы митохондриальной АТФ-синтетазы оказалась чуть меньше 500 килодальтон. [c.107]

В митохондриальном матриксе, так же как и в строме хлоропласта, величина pH близка к 8, но она создается за счет переноса протонов из органеллы в цитозоль (pH около 7), а не в какой-то ее внутренний компартмент. Поэтому градиент pH относительно шл и протоно движущая сила на внутренней митохондриальной мембране, близкая к такой же силе на тишкоидной мембране хлоропласта, в основном создается за счет суммарного мембранного потенциала (см. разд. 7.1.7). Однако и в митохондриях, и в хлоропластах каталитический участок АТР-синтетазы находится в большом компартменте органеллы (соответственно в матриксе и в строме), который имеет pH около 8,0 [c.475]

Обычно для характеристики эффективности О.ф. используют величины Н /2е или /2е, указывающие сколько протонов (либо электрич. зарядов) переносится через мембрану при транспорте пары электронов через данный участок дыхат. цепи, а также отношение Н /АТФ, показывающее, сколько протонов нужно перенести снаружи внутрь митохондрий через АТФ-синтетазу для синтеза 1 молекулы АТФ. Величина q 2й составляет для г нктов сопряжения 1, 2 и 3 соотв. 3-4, 2 и 4. Величина Н /АТФ при синтезе АТФ внутри митохондрий равна 2 одиако еще один Н может тратиться на вынос синтезированного АТФ из матрикса в цитоплазму переносчиком адениновых нуклеотидов в обмен на АДФ Поэтому кажущаяся величина /АТФ ру,и равна 3. [c.339]

Механизм фотосинтетического фосфорилирования сходен с синтезом АТФ в процессе окислительного фосфорилирования в митохондриях. Система переносчиков электронов интегрирована в мембрану тилакоида таким образом, что перенос пары электронов создает поток протонов с наружной поверхности тилакоида внутрь, pH на внутренней поверхности тилакоида может достигать 4 и ниже. Таким образом, на мембране создается электрохимический протонный потенциал АцН+, который используется интегрированной в мембрану Н -зависимой сиитетазой для синтеза АТФ (рис. 16.3). Структура этого фермента аналогична митохондриальной АТФ-синтетазе (гл. 15) и обычно обозначается как СРд—СР Символ С означает, что этот ферментный комплекс локализован в хлоропластах сЫогорШз ) и, подобно митохондриальной Н" -зависимой-АТФ-синтетазе, включает гидрофобный, интегрированный в мембрану тилакоида компонент (СРд) и гидрофильный комплекс (СР]), катализирующий синтез АТФ. [c.215]

По синтез АТР - это не единственный процесс, идущий за счет энергии электрохимического градиента. В матриксе, где находятся ферменты, участвующие в цикле лимонной кислоты и других метаболических реакциях, необходимо поддерживать высокие концентрации различных субстратов в частности, для АТР-синтетазы требуются ADP и фосфат. Поэтому через внутреннюю мембрану должны транспортироваться разнообразные несущие заряд субстраты. Это достигается с помощью различных белков-переносчиков, встроенных в мембрану (см. разд. 6.4.4). многие из которых активно перекачивают определенные молекулы против их электрохимических градиентов, т. е. осуществляют процесс, требующий затраты энергии. Для большей части метаболитов источником этой энергии служит сопряжение с перемещением каких-то других молекул вниз по их электрохимическому градиенту (см. разд. 6.4.9). Папример, в транспорте ADP участвует система антипорта ADP-ATP при переходе каждой молекулы ADP в матрикс из него выходит по своему электрохимическому градиенту одна молекула АТР. В то же время система симпорта сопрягает переход фосфата внутрь митохондрии с направленным туда же потоком П протоны входят в матрикс по своему градиенту и при этом ташат за собой фосфат. Подобным образом переносится в матрикс и пируват (рис. 7-21). Энергия электрохимического протонного градиента используется также для переноса в матрикс ионов Са , которые, по-видимому, играют важную роль в регуляции активности некоторых митохондриальных ферментов большое значение может иметь и поглощение митохондриями этих ионов для удаления их из цитозоля, когда концентрация Са в последнем становится опасно высокой (см. разд. 12.3.7). [c.443]

В процессе окислительного фосфорилирования при окислении одной молекулы NADH (т. е. при прохождении двух электронов через все три ферментных комплекса) образуется не более трех молекул АТР. Если предположить, что обратное прохождение трех протонов через АТР-синтетазу обеспечивает синтез одной молекулы АТР (разд. 7.2.3), можно будет заключить, что в среднем перенос одного электрона каждым комплексом сопровождается перемещением полутора протонов (иными словами, при транспорте одного электрона некоторые комплексы перекачивают один протон, а другие - два протона). [c.456]

Когда к клеткам добавляют разобщающий агент, например динитрофенол, поглощение кислорода митохондриями значительно возрастает, так как скорость переноса электронов увеличивается. Такое ускорение связано с существованием дыхательного контроля. Полагают, что этот контроль основан на прямом ингибирующем влиянии электрохимического протонного фадиента на гранспорт электронов. Когда в присутствии разобщителя электрохимический градиент исчезает, не контролируемый более транспорт электронов достигает максимальной скорости. Возрастание градиента притормаживает дыхательную цепь, и транспорт электронов замедляется. Более того, если в эксперименте искусственно создать на внутренней мембране необычно высокий электрохимический градиент, то нормальный транспорт электронов прекратится совсем, а на некоторых участках дыхательной цепи можно будет обнаружить обратный поток электронов. Это позволяет предполагать, что дыхательный контроль отражает простой баланс между изменением свободной энергии при перемещении протонов, сопряженного с транспортом электронов, и изменением свободной энергии при самом транспорте электронов другими словами, величина электрохимического градиента влияет как на скорость, гак и на направление переноса электронов, так же как и на направление действия АТР-синтетазы (разд. 1.2.3). [c.457]

Рнс. 7-37. Протонодвижущая сила, генерируемая на плазматической мембране бактериальной клетки, обеспечивает перенос внутрь питательных веществ и выведение наружу натрия. В присутствии кислорода (А) дыхательная цепь аэробных бактерий создает электрохимический протонный градиент, который используется АТР-синтетазой для синтеза АТР, а также для переноса в клетку некоторых питательных веществ. В анаэробных условиях (Б) те же бактерии получают АТР в результате гликолиза За счет гидролиза части этого АТР под действием АТР-синтетазы создается трансмембранная протонодвижушая сила доставляющая энергию для транспортных пропессов. (Как описано в тексте, существуют бактерии. 3 которых цепь переноса электронов откачивает протоны при анаэробных условиях конечным акцептором электронов в этом случае служит не [c.458]

Ддро реакционного центра в фотосистеме ТТ гомологично только что онисаппому бактериальному реакционному центру и точно так же генерирует сильные доноры электронов в форме восстановленных молекул хинона в мембране. Эти молекулы передают электроны на комплекс Ъв -f, сходный с бактериальным комплексом Ъ-с и комплексом Ь - i в дыхательной цепи митохондрий. Как и в митохондриях, комплекс Ъв - f перекачивает протоны через тилакоидную мембрану в тилакоидное пространство (в хлоропластах) или из цитозоля через впячивапия плазматической мембраны (у цианобактерий), и создающийся при этом электрохимический градиент доставляет энергию для синтеза АТР АТР-синтетазой (рис. 7-52 и 7-53). Конечным акцептором в этой цепи переноса электронов служит вторая фотосистема (фотосистема Т), принимающая электроны в дырки , образовавшиеся под действием света в хлорофилле ее реакционного центра. В то время как электроны, активированные фотосистемой ТТ, имеют слишком низкую энергию. [c.472]

Стадия 3. В конце концов у некоторых бактерий выработалась настолько эффективная цепь переноса электронов, что энергии запасалось больше, чем было нужно для поддержания внутриклеточного pH. Откачивание протонов создавало большой электрохимический градиент, который позволял протонам переходить обратно в клетку через АТР-зависимые протоппые пасосы, что приводило к обращению их действия, т.е. заставляло их функционировать как АТР-синтетазы Поскольку таким бактериям нужно было гораздо меньше сбраживаемых питательных веществ, запасы которых всё уменьшались, эти бактерии стали быстро вытеснять своих соседей. [c.479]

Рис. 7-59. Некоторые пути переноса электронов у современных бактерий, у которых необходимые для роста АТР и восстановительная сила образуются всецело за счет энергии окисления неорганических молекул -таких, как соединения железа, азота, серы и аммиака. Некоторые виды способны расти в анаэробных условиях благодаря замене кислорода как конечного акцептора электронов нитратом. Другие виды используют цикл фиксации углерода и синтезируют органические молекулы исключительно из СО2. Прямой поток электропов позволяет откачивать из клетки протоны, и энергия возникающего при этом протонного градиента используется АТР-синтетазой для синтеза АТР (на схеме не показано). NADPH, необходимый для фиксации углерода, образуется при участии обратного тока электронов (см. также рис. 7-51, Б).

Справочник химика 21

Химия и химическая технология