Схема устройства этого фермента

Гидрофобный комплекс F 0 содержит 1 субъединицу a, 2 субъединицы b и около 10 мелких субъединиц с. Входной протонный канал, ориентированный в сторону кислого цитоплазматического пространства, находится между субъединицами а и с. В нативной структуре, однако, сквозной проход протона в щелочную область матрикса митохондрии перекрыт элементами комплекса F 1, и протоны могут продвигаться насквозь лишь при взаимном перемещении субъединиц. Шляпка комплекса F 1, имеющего гидрофильную поверхность, состоит из 3 α субъединиц, чередующихся с 3 β субъединицами, образуя сфероид диаметром около 10 нм и высотой 8 нм. Этот сфероид в целом неподвижен за счёт связи через субъединицу δ с субъединицей в, сердцевина же шляпки (субъединица γ с регулятором активности комплекса ε) способна вращаться вокруг оси, перпендикулярной плоскости мембраны. Однако, выходной протонный канал, обращённый в щелочную среду матрикса, открывается только при наличии всех необходимых субстратов для синтеза АТФ. На «холостое» вращение «ротора» протоны не тратятся! Многие детали работы этой молекулярной машины пока неизвестны, но в общих чертах это выглядит так. Протоны, проникая к основанию комплекса F 1 через входной канал комплекса F 0, контактирующий с «кислой» средой цитоплазмы, протонируют карбоксильные группы аминокислот белка субъединицы с (это аспарагин и аргинин). Взаимодействие и обмен протонами между соседними единицами с и а вызывает конформационную перестройку структуры белков, результатом которой является поворот подвижной части F 1 (предположительно совместно с субъединицей с) скачком на 120º на каждую пару вошедших протонов. Предполагается, что поступившие в ферментный комплекс протоны принимают участие в протонировании аминокислот β субъединиц, что вызывает в них конформационные переходы, сопровождающиеся изменением их сродства к участникам реакции фосфорилирования (АДФ, Ф, АТФ). В частности, установлено, что синхронно с вращением «роторной» части комплекса происходит протонирование субъединицы β и ассоциация её с АДФ и Ф,затем конденсация этих субстратов с образованием АТФ и Н2О, сильно связанных с субъединицей, и на следующем этапе – депротонирование субъединицы с высвобождением протонов в щелочную среду матрикса. Последний этап конформационного перехода сопровождается резким уменьшением сродства β субъединицы к АТФ (примерно на 6 порядков!) и отщеплением продуктов фосфорилирования. Стехиометрия процесса такова, что на каждый скачок в повороте ротора синтезируется 1 молекула АТФ, а на один полный оборот соответственно - 3 молекулы. В нормальных физиологических условиях ротор может совершать до 17 оборотов в секунду, обеспечивая скорость синтеза около 50 молекул АТФ в одном комплексе в секунду. Разумеется, синтез АТФ идёт за счёт высокого сродства сопря-гающей реакции трансмембранного переноса протона, но как организован процесс сопряжения? Как показали измерения, в активном центре ферментного комплекса реакция синтеза АТФ

АДФ + Ф + Н+ = АТФ + Н₂О

находится в термодинамическом равновесии. Это невозможно в водном растворе. Но в активном центре комплекса F0F1, конформационные изменения, вызванные пртонированием, приводят к двоякому преобразованию сродства: дегидратация отрицательно заряженных реагентов АДФ и Ф, которая в водной среде понижала их свободную энергию и, возможно, их принудительное сближение против сил их электростатического отталкивания (величина этой «энтальпийной» части сопряжения пока неизвестна) и главное уменьшению активности продуктов реакции. Сильное связывание АТФ и, возможно, связывание или выброс воды из реакционного центра резко уменьшают вероятность обратной реакции. Это типичный пример «энтропийного» механизма сопряжения. При этом основная часть электрохимического потенциала протонов затрачивается на дегидратацию АДФ и Ф и на выведение АТФ из активного центра в водную фазу. В ней АТФ становится макроэргом, но самопроизвольно гидролизоваться до АДФ и Ф не может в отсутствие необходимого фермента. Иначе говоря, участники сопрягаемой реакции, невыгодной в водной среде, переносятся в специально организованную полость активного центра фермента, где она становится энергетически возможной, а свободная энергия сопрягающего процесса передаётся на конформационные степени свободы фермента и тратится на совершение работы по захвату и высвобождению участников реакции.

Таким образом, конформационная гипотеза, хотя и в сильно изменённом виде, также нашла своё место в теории окислительного фосфорилирования. Если хемиосмотическая гипотеза объяснила термодинамику сопряжения окисления и фосфорилирования, то конформационная гипотеза объяснила молекулярный механизм реализации протонного потенциала в химической реакции синтеза АТФ.

33. Разнообразие механизмов образование АТФ и их вклад в энергетику клетки.

Аэробный путь ресинтеза АТФ - это основной, базовый способ образования АТФ, протекающий в митохондриях мышечных клеток. В ходе тканевого дыхания от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода и по дыхательной цепи передаются на молекулярный кислород - 02, доставляемый кровью в мышцы из воздуха, в результате чего возникает вода. За счет энергии, выделяющейся при образовании воды, происходит синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Обычно на каждую образовавшуюся молекулу воды приходится синтез трех молекул АТФ.

В упрощенном виде ресинтез АТФ аэробным путем может быть представлен схемой:

По сравнению с другими идущими в мышечных клетках процессами ресинтеза АТФ аэробный ресинтез имеет ряд преимуществ. Он отличается высокой экономичностью: в ходе этого процесса идет глубокий распад окисляемых веществ до конечных продуктов - С02 и Н20 и поэтому выделяется большое количество энергии. Так, например, при аэробном окислении мышечного гликогена образуется 39 молекул АТФ в расчете на каждую отщепляемую от гликогена молекулу глюкозы, в то время как при анаэробном распаде этого углевода синтезируется только 3 молекулы АТФ в расчете на одну молекулу глюкозы. Другим достоинством этого пути ресинтеза является универсальность в использовании субстратов. В ходе аэробного ресинтеза АТФ окисляются все основные органические вещества организма: аминокислоты, углеводы, жирные кислоты, кетоновые тела и др. Еще одним преимуществом этого способа образования АТФ является очень большая продолжительность его работы: практически он функционирует постоянно в течение всей жизни. В покое скорость аэробного ресинтеза АТФ низкая, при физических нагрузках его мощность может стать максимальной.