Электрохимический протонный градиент и синтез АТР

A. Чтобы эффективно поддерживать синтез АТР, протоны должны попадать внутрь тилакоидной везикулы, создавая (на щелочной стадии эксперимента) электрохимический протонный градиент, приводящий в действие синтез АТР. (Помните, что протоны переносятся в полость тилакоидов, когда поток электронов проходит по электронтранспортной цепи хлоропластов.) Мембраны тилакоидов, подобно внутренним мембранам митохондрий, сравнительно мало проницаемы для протонов. В результате НС1, полностью диссоциирующая на ионы, не способна эффективно снизить pH внутри везикул. С другой стороны, янтарная кислота диссоциирована в растворе менее, чем на половину при pH [c.353]

Б. Низкая фоновая скорость потребления кислорода митохондриями в отсутствие экзогенного ADP свидетельствует о том, что транспорт электронов на кислород по электронтранспортной цепи продолжается, хотя синтеза АТР не происходит. Транспорт может продолжаться лишь в том случае, если электрохимический протонный градиент медленно диссипирует. Если бы внутренняя мембрана митохондрии была полностью непроницаемой для протонов, скорость потребления кислорода должна была упасть до нуля, когда накачивание протонов за счет транспорта электронов уравновесилось бы обратным давлением электрохимического протонного градиента. Этого не происходит, следовательно, протоны должны проходить через мембрану в отсутствие синтеза АТР. [c.343]

Механизм окислительного фосфорилирования. Существует несколько теорий, объясняющих механизм тканевого дыхания (окисления) и его сопряжения с фосфорилированием. Наибольшее подтверждение получила теория, разработанная английским биохимиком П. Митчеллом (1961 — 1966). Согласно этой теории, получившей название хемиосмотическая , или протондвижущая , свободная энергия движущихся по дыхательной цепи электронов используется для перекачивания протонов (Н ) через внутреннюю мембрану митохондрий из матрикса во внутримембранное пространство. Это приводит к изменению числа протонов водорода на наружной и внутренней мембранах митохондрий, в результате чего возникает электрохимический градиент протонов водорода (ЛрН) на мембране (рис. 21). За счет протонного градиента ионы водорода возвращаются снова в митохондриальный матрикс через каналы, образованные специальным белком Рц и ферментом Н -АТФ-синтетазой. При этом энергия протонного потенциала используется для синтеза АТФ с участием Н -АТФ-синтетазной системы. Синтез АТФ возможен только при определенной величине протонного потенциала. Если его величина на мембране мала, то АТФ-синтетаза будет функционировать как АТФ-аза, т. е. катали- [c.58]

Энергия электрохимического протонного градиента используется для синтеза АТР и транспорта метаболитов и неорганических ионов в матрикс [9] [c.442]

Дыхательные ферментные комплексы сопрягают транспорт электронов, сопровождающийся выделением энергии, с откачиванием протонов из матрикса. Создаваемый при этом электрохимический протонный градиент доставляет энергию для синтеза АТР еще одним трансмембранным белковым комплексом-АТР-синтетазой, через которую протоны возвращаются в матрикс. АТР-синтетаза - это обратимый сопрягающий комплекс в норме он преобразует энергию потока протонов, направленного в матрикс, в энергию фосфатных связей АТР, но при уменьшении электрохимического протонного градиента он способен также использовать энергию гидролиза АТР для перемещения протонов из матрикса наружу. Хемиосмотические механизмы свойственны как митохондриям и хлоропластам, так и бактериям, что указывает на исключительную важность их для всех клеток. [c.459]

По мере прохождения высокоэнергетических электронов по дыхательной цепи протоны откачиваются из матрикса в каждом из трех ее участков, запасающих энергию. В результате этого между двумя сторонами внутренней мембраны возникает электрохимический протонный градиент, под действием которого протоны возвращаются обратно в матрикс через АТР-синтетазу - трансмембранный ферментный комплекс, использующий энергию протонного тока для синтеза АТР из ADP и Р . [c.20]

Рис. 9-36. Протонодвижущая сила, генерируемая на бактериальной плазматической мембране, обеспечивает перемещение в клетку 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. В анаэробных условиях (Б) те же бактерии получают АТР в результате гликолиза. За счет гидролиза части этого АТР под действием АТР-синтетазы возникает трансмембранная протонодвижущая сила, осуществляющая транспортные процессы. (Как описано в тексте, существуют бактерии, у которых цепь переноса электронов откачивает протоны и при анаэробных условиях конечным акцептором электронов в этом случае служит не кислород, а другие молекулы.)

Г. В экспериментах такого типа наряду с синтезом АТР еще ряд процессов приводится в действие электрохимическим протонным градиентом. Для поглощения субстрата (Р-гидроксимасляная кислота) митохондриями может быть необходим симпорт с [c.343]

Согласно конформационной гипотезе, энергия для синтеза АТР получается при переходе АТРазы из энергетически богатой конформации в энергетически бедную. Электрохимическая энергия протонного градиента используется для перевода АТРазы в богатую энергией конформацию при высвобождении образованного АТР. [c.180]

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]

Действие АТР-синтетазы обратимо она способна использовать как энергию гидролиза АТР для перекачивания протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, так и энергию потока протонов по электрохимическому градиенту для синтеза АТР (рис. 7-26). Таким образом, АТР-синтетаза - это обратимая сопрягающая система, которая осуществляет взаимопревращение энергии электрохимического протонного градиента и химических связей. Паиравление ее работы зависит от соотношения между крутизной протонного градиента и локальной величиной AG для гидролиза АТР. [c.448]

Ранее мы уже показали, что свободная энергия гидролиза АТР зависит от концентрации трех реагирующих веществ - АТР, ADP и Pi (см. рис. 7-22). AG для синтеза АТР - это та же величина, взятая с минусом. Свободная энергия перемещения протонов через мембрану равна сумме (1) AG для перемещения одного моля любых ионов между областями с разностью потенпиалов AV и (2) AG для перемещения моля любых молекул между областями с различной их концентрацией. Уравнение для протонодвижущей силы, приведенное в разд. 7.1.7, объединяет те же самые составляющие, но только разность концентраций заменена эквивалентным ей приращением мембранного потенциала, так что получается выражение для электрохимического потенциала протона. Таким образом, AG для перемещения протонов и протонодвижущая сила учитывают один и тот же потенциал, только в первом случае он измеряется в килокалориях, а во втором - в милливольтах. Коэффициентом для перевода из одних единиц в другие служит число Фарадея. Таким образом, AGh = -0,023 (протонодвижущая сила), где AGh + выражается в килокалориях на 1 моль (ккал/моль), а протонодвижущая сила - в милливольтах (мВ). Если электрохимический протонный градиент равен 220 мВ, то AGh = 5,06 [c.449]

Если АТР-синтетаза в норме не транспортирует П из матрикса, то дыхательная цепь, находящаяся во внутренней митохондриальной мембране, при нормальных условиях переносит через эту мембрану протоны, создавая гаким образом электрохимический протонный градиент, доставляющий энергию для синтеза АТР. 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 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 вспышки дыхания с помощью чувствительного рП-электрода можно зарегистрировать внезапное подкислепие среды в результате выталкивания ионов П из матрикса митохондрий. [c.450]

В процессе бактериального фотосинтеза на плазматической мембране создается электрохимический протонный градиент, энергия которого используется для синтеза как АТР, так и NADPH [34] [c.470]

Рис. 9-28. АТР-синтетаза-большой и сложный ферментный комплекс с мол. массой около 500000, состоящей по меньшей мере из девяти различных полипептидных цепей. Весь этот комплекс называют Р Р -АТРазой. Пять полипептидных цепей образуют сферическую головку, которая может быть выделена независимо эту часть называют F -АТРазой. Как показано на схеме, АТР-синтетаза выполняет роль обратимого сопрягающего устройства, которое может осуществлять взаимопревращение энергии фосфатных связей и электрохимического протонного градиента. Как объяснено в тексте, направление действия фермента в любой данный момент зависит от суммарного изменения свободной энергии при сопряженных процессах-перемещении протонов через мембрану и синтезе АТР из ADP и Р..

В свою очередь АТР-синтетаза синтезирует АТР, используя в качестве источника энергии электрохимический протонный градиент, создаваемый цепью переноса электронов от фотосистемы II к фотосистеме I. Кроме того (на схеме не показано), протоны, образующиеся при окислении воды, тоже вносят вклад в образование электрохимического градиента, используемого для синтеза АТР. Образование АТР по г-схеме называют нециклическим фотофосфорилированием в отличие от циклического, схема которого приведена на рис. 9-51. Дополнительные подробности см. на рис. 9-50. ПХ-пластохинон ПЦ-пластоцианин Ф-ферредок-син. [c.44]

Система тилакоидных мембран хлоропласта превраш,а-ет энергию света в форму, которая может быть использована для осушествления химических реакций. Целиком процесс фотосинтеза был схематически представлен на рис. 10.1. В приводимом ниже обсуждении фотосинтеза рассматриваются три стадии. Первая стадия представляет собой световую реакцию — первичный процесс, с помош,ью которого энергия света поглощается светособирающими пигментами и переносится на фотохимические реакционные центры. На второй стадии поглощенная энергия света используется для осуществления транспорта электронов от воды до NADP+. В ходе электронного транспорта устанавливается градиент заряда, или концентрации протонов, через функциональные везикулы мембраны. Третья стадия представляет собой путь, по которому NADPH, образованный электронтранспортной системой, и АТР, генерируемый за счет различий электрохимического потенциала протонного градиента, используются для фиксации СО2 и синтеза углеводов. Хотя в целях упрощения процесс фотосинтеза разбит на три стадии, необходимо помнить, что поглощение света, транспорт электронов и генерация электрохимического градиента в действительности очень тесно сопряжены. [c.333]

Электрохимический протонный градиент несомненно служит источником энергии для синтеза АТР при окислительном фосфори-лировании, однако молекулярный механизм сопряжения этого градиента с синтезом АТР еще не выяснен. Возникает вопрос синтезируется ли АТР непосредственно из ADP и неорганического фосфата или источником этого фосфата служит какой-то интермедиат, например фосфофермент или другое фосфорилированное соединение [c.79]

В опытах, проиллюстрированных на рис. 7-11, к культуре метанобразующих бактерий, выращенных в атмосфере водорода, добавляли метанол и следили за изменением выделения в среду метана (СН4), величиной электрохимического протонного градиента (ЛСн + ) и внутриклеточной концентрацией АТР. При этом определяли также действие двух ингибиторов T S, разрушающего электрохимический протонный градиент, и D D, непосредственно ингибирующего АТР-синтетазу. Во всех экспериментах добавление метанола приводило к возрастанию электрохимического протонного градиента и к увеличению внутриклеточной концентрации АТР. При добавлении T S (рис. 7-11, А) электрохимический протонный градиент исчезал и синтез АТР прекращался однако выделение СН4 при этом продолжалось. При добавлении D D (рис. 7-11, прекращался синтез АТР и подавлялось выделение СН4, однако не происходило какого-либо изменения электрохимического протонного градиента. Добавление T S после того, как синтез АТР и образование СН4 были подавлены ингибитором D D (рис. 7-11, В), приводило к исчезновению электрохимического протонного градиента, но стимулировало образование СН4. [c.83]

Хлоропласты синтезируют АТР в принципе так же, как митохондрии транспорт электронов сопряжен в них с перекачиванием протонов, а энергия аккумулируется в возникающем электрохимическом протонном градиенте, использующемся для образования АТР с помощью АТР-синтетазы. В одном из ранних и наиболее убедительных тестов на хемиоосмотическое сопряжение электронного транспорта и синтеза АТР использовались тилакоидные везикулы, выделенные из хлоропластов щпината. [c.91]

Б. Да, следует ожидать, что олигомицин действует на митохондрии аналогично тому, как действует D D на метаногенез. Олигомицин ингибирует образование СО2 в митохондриях, не затрагивая электрохимического протонного градиента. Блокируя АТР-синтетазу, олигомицин препятствует разрядке электрохимического протонного градиента обьиным образом, т.е. путем осуществления синтеза АТР. Обратное давление, создаваемое статическим электрохимическим протонным градиентом, ингибирует электронный поток, потому что последний связан с транспортом протонов. Действие олигомицина на митохондрии совершенно аналогично влиянию D D на метаногенез D D останавливает образование АТР, ингибируя АТР-синтетазу и тем самым как бы замораживая электрохимический протонный градиент, который ослабляет поток электронов и ингибирует образование СН4. [c.345]

Какова энергетика указанных процессов Является ли поток электронов от Ее к О2 энергетически выгодным Достаточен ли электрохимический протонный градиент на мембране для осуществления синтеза АТР Насколько трудно восстановить КАОР" электронами от Ее " Являются ли эти вопросы ключевыми для [c.91]

Неправильно. Слабые липофильные кислоты действуют как разобщающее агенты, которые разрушают протондвижущую силу и блокируют синтез АТР однако они усиливают поток электронов через дыхательную цепь за счет того, что снимают дыхательный контроль, осуществляемый электрохимическим протонным градиентом. [c.340]

Внутренняя мембрана митохондрий не полностью непроницаема для протонов, они могут медленно проходить сквозь мембрану даже в отсутствие синтеза АТР. 2. Имеющийся внутри митохондрий АТР может гидролизоваться до ADP, а затем вновь превращаться в АТР за счет протондвижущей силы. 3. Если некоторые митохондрии в препарате повреждаются в процессе его приготовления, так что их внутренние мембраны перестают быть интактными, они начинают осуществлять транспорт электронов на кислород непрерывно, поскольку электрохимического протонного градиента, направленного противоположно потоку электронов, в этом случае не возникает. [c.343]

A. Да, следует ожидать, что действие 2,4-динитрофенола на митохондрии будет аналогично действию T S на метанобразующие бактерии. Добавление 2,4-динитрофенола к митохондриям приводит к прекращению образования АТР, но образование Oj в цикле лимонной кислоты при этом продолжается. Образование АТР останавливается из-за того, что протондвижущая сила, которая приводит в действие синтез АТР, отсутствует, когда разрушен электрохимический протонный градиент. Образование СО2 даже слегка стимулируется, потому что электроны могут свободно переноситься по цепи электронного транспорта (их потоку больше не противодействует электрохимический протонный градиент). Действие 2,4-динитрофенола на митохондрии совершенно аналогично действию T S на метанобразующие бактерии T S останавливает синтез АТР, но при этом открывает возможность свободного потока электронов, что приводит к стимуляции образования СН4. [c.345]

Другие воздействия, изменяя поток электронов через цитохромы (D MU и темнота останавливают поток электронов, яркий свет усиливает этот поток), не влияют на синтез АТР. Остановка потока электронов не влияет на величину электрохимического протонного градиента, потому что последняя задается обработкой кислотой или щелочью. Яркий свет, который должен усилить поток электронов и увеличить электрохимический градиент, в опыте не оказывает действия. Однако если вы предсказали, что данное воздействие должно привести к увеличению синтеза АТР,-это можно понять, первые исследователи тоже думали, что [c.353]

Электрохимическая энергия протонного градиента, возникающая при вьщелении из клетки кислот в процессе брожения, может использоваться для транспорта в нее растворимых веществ, а также для синтеза АТФ, который осуществляется при функционировании протонной АТФазы в обратном направлении, т.е. в АТФ-синтазной реакции. Выход энергии за счет вьщеления из клетки продуктов брожения может быть довольно значительным. При гомоферментативном молочнокислом брожении, по проведенным подсчетам, он может достигать 30 % от общего количества энергии, вырабатываемой клеткой. Таким образом, у некоторых эубактерий, получающих энергию в процессе брожения, АТФ может синтезироваться в реакциях субстратного фосфорилирования и дополнительно за счет использования Арн+. образующегося при выходе конечных продуктов брожения в симпорте с протонами. Следовательно, эубактерии с облигатно бродильным типом энергетики уже имеют протонные АТФазы, функционирующие в направлении гидролиза и синтеза АТФ, т.е. катализирующие обратимое взаимопревращение двух видов метаболической энергии [c.350]

Хемиосмотическая гипотеза Митчелла связывает образование АТФ из АДФ с возникновением отрицательного градиента pH в хлоропластах но отношению к внешней среде при транспорте электронов под действием света (протонная помпа) [49]. Трансмембранный градиент pH в хлоропластах создает электрохимический потенциал, обеспечивающий фосфорилирование. Ингибиторы фосфорилирования и так называемые разобщители (среди них ионы аммония) могут уменьшить трансмембранный градиент pH из-за повышения проницаемости мембран хлоропластов, а не разрушать промежуточный X. Доводом в пользу хемиосмотической гипотезы является то, что синтез АДФ—>-АТФ возможен и в темноте, без всякого действия света, если в изолированных хлоропластах создать искусственно градиент pH [50]. Для этого их сначала помещают в раствор с низким pH, а затем быстро в раствор с высоким pH. Существует мнение о конкурентном образовании АТФ и трансмембранного протонного градиента из макроэргиче-ского соединения X [c.34]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология