Биоэнергетика Часть первая. Энергия запасена в различных формах • • • • Тепловая Химических связей Ядерная Световая • Однако чаще мы предпочитаем её использовать в форме электричества или углеводородного топлива – энергетических валют. АТФ – универсальное клеточное горючее… 30 кДж/моль АТФ – универсальное клеточное горючее… … но не единственное Другая валюта – это электроосмотический градиент Две формы протонного потенциала: • а) – осмотическое давление • б) – разность электрических потенциалов Вместо Н+ может быть Na+ - третья форма валюты. АТФ-синтазный комплекс E. coli • АТФ-синтазный комплекс FOF1 по форме напоминает плодовое тело гриба. • F1 — это шляпка, ножка — это γ-субъединица компонента F1, а «корни» гриба — компонент FO, заякоренный в мембране. Синтаза крутится, АТФ мутится • АТФ-аза и правда похожа на турбину гидроэлектростанции. • В АТФ-синтазном комплексе есть барабан, который вращается. • Есть ножка, которая крутится вслед за барабаном. • И есть неподвижная часть – головка, которая закреплена. Синтаза крутится, АТФ мутится • В головке за счёт вращения ножки и барабана происходит изменение конформации, которое обеспечивает синтез АТФ из АДФ и ортофосфата. • За одно полное вращение может синтезироваться 3 молекулы АТФ. При этом через АТФ-синтазный комплекс проходит 10-14 H+ Джон Эрнст Уокер, английский биохимик • • Пол Бойер, американский биохимик В 1997 году получили Нобелевскую премию по химии за открытие в 60-е годы механизма синтеза АТФ. В 2016 году подписали письмо с призывом к Greenpeace, Организации Объединенных Наций и правительствам всего мира прекратить борьбу с генетически модифицированными организмами (ГМО). Бактериальные жгутики двигаются не за счёт энергии АТФ. 1. Скорость вращения обычно колеблется между 5 и 50 оборотами в секунду. 2. Для одного оборота жгутика необходимо пронести в клетку порядка тысячи ионов H+ (Na+). 3. Мотор снабжен переключателем направления вращения, так что бактерия может плыть как жгутиком вперед, так и жгутиком назад при одном и том же направлении Сколько ионов H+ должно пройти через "электромотор" бактериального жгутика, чтобы он сделал один оборот? а) 3; б) 12; в) около 120; г) около 1200; Теоретический тур заключительного этапа XVI Всероссийской биологической олимпиады школьников. Сочи. 2000 год. Жгутик бактерии двигается благодаря водородному потенциалу • Принцип вращения : зарядка-перезарядка группы COOH в аминокислотах. • Число протонов, которые должны «провалиться» в канал за время одной прокрутки жгутика,- порядка тысячи • Для того, чтобы проверить, действительно ли жгутик вращается при движении бактерии, бактериальную клетку за жгутик прикрепили к стеклу. • В раствор добавили вещество, которое она любит, например, сахар, и она начала вертеться, потому что она явно хотела добраться до сахара, если не добавляли, то она вела себя более спокойно. Первый закон биоэнергетики Живая клетка избегает прямого использования внешних ресурсов для совершения полезной работы. Она сначала превращает их в одну из трёх конвертируемых форм энергии («энергетических валют»), которые затем расходуются. Клетка предпочитает денежное обращение, а не бартер. Второй закон биоэнергетики Любая живая клетка всегда располагает как минимум двумя «энергетическими валютами»: водорастворимой (АТФ), и связанной с мембранами (натриевый или водородный потенциал). . • Клетка держит часть наличного капитала в деньгах, а часть – в чеках, причём часто в разных банках Третий закон биоэнергетики Энергетические валюты» в клетке могут превращаться одна в другую. Не важно, в какой валюте поступит доход, если эта валюта конвертируема. • Взаимные превращения водородного потенциала в АТФ осуществляются H+-ATФазой. • Взаимные превращения натриевого потенциала в АТФ осуществляются Na-ATФазой. • Взаимные превращения натриевого и водородного потенциалов осуществляются H+/Na+-антипортером У кого два вида валюты, а у кого – три? • Клетки растений располагают АТФ и химическим потенциалом (на мембранах митохондрий, пластид и вакуолей). Натриевый потенциал может возникнуть как дополнительная валюта вторично. • У животной клетки на плазмалемме – натриевая энергетика, а на внутренней мембране митохондрий – водородная. • У морских бактерий часто натриевая энергетика, а у пресноводных – водородная. Первичные энергетические валюты у бактерий • У железобактерий, превращающих Fe2+ в Fe3+, сначала образуется водородный потенциал. • У бактерии Propionigenium modestum вся энергия извлекается за счёт декарбоксилирования янтарной кислоты в пропионовую. Первичной валютой становится натриевый потенциал. Пути превращения энергии в живых клетках • Энергия света при фотосинтезе и энергия окисления кислородом сначала превращается в водородных потенциал СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ 3 типа мембранных АТФ-аз (все происходят от общего предка) • F-ATФ-синтазы встречаются у бактерий, в митохондриях и пластидах эукариот. • A/V — у архей (A) и в вакуолях эукариот (V): – Вакуолярные (V-АТФазы) встречаются в плазмалемме и закисляют лизососмы и вакуоли. Не синтезируют, а только расходуют АТФ. – Архейные АТФ-азы (А-АТФ-азы) могут производить АТФ Н+-АТФаза И ВТОРИЧНЫЙ АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ А как в вакуолях растений? • Накопление в вакуолях различных веществ против градиента концентрации, а также необходимость регуляции процессов входа и выхода их через вакуолярную мембрану указывают на то, что в этой мембране должны существовать специфические транспортные системы для этих веществ, а также системы, обеспечивающие эти транспортные процессы энергией. • Результаты исследований дают основание считать, что у высших растений при участии переносчиков существляются процессы K+/H+-, Na+/H+-, Ca2+/nH+антипорта и H+/Cl−-симпорта на плазматической и вакуолярной мембранах. Учитывая, что пищеварительные вакуоли образуются путём эндоцитоза, как будет происходить изменение pH в них при участии АТФазы? Известно, что краситель нейтральный красный в растворе с pH около 7 находится в форме недиссоциированных молекул, хорошо растворимых в липидах мембран. В кислой среде (pH < 6) это вещество диссоциирует на ионы, плохо растворимые в липидах. В каплю раствора красителя с рН около 7 поместили срез эпидермиса лука. Спустя несколько минут исследователь смог наблюдать: а) окрашивание вакуолей в живых клетках; + б) окрашивание ядра и цитоплазмы в живых клетках; в) окрашивание лишь клеточных стенок живых клеток; г) отсутствие какого-либо окрашивания вследствие невозможности проникновения красителя сквозь плазмалемму. Теоретический тур заключительного этапа XXV Всероссийской олимпиады школьников по биологии. г. Белгород, 2009 г. Сопряженный с транспортом протонов синтез АТФ идёт во внутренней мембране митохондрий. Кристы обеспечивают увеличение площади поверхности внутренней мембраны. Одна митохондрия обычно может содержать от 5 до 30 тысяч полных «наборов» ЭТЦ, включающих в себя 4 комплекса и АТФ-синтазу. Пул ферментов митохондрий отделен от ферментов цитоплазмы. Комплекс митохондриальной АТФ-синтазы: Субъединицы комплекса митохондриальной АТФ-синтазы: F1 FO Alpha 3 a 1 Beta 3 b 2 Gamma 1 c 10 Delta 1 Epsilon 1 Комплекс митохондриальной АТФ-синтазы: Матрикс Две b-субъединицы (b2) комплекса Fo тесно связаны с тремя парами α- и βсубъединиц комплекса F1, удерживая его в фиксированном положении относительно мембраны. В комплексе Fo (оранжевый цвет на рис.), погруженном в мембрану, центральный комплекс – цилиндр c 10 субъединицами с (c10) прикреплен к стержню комплекса F1 (он образуется субъединицами γ и ε). Внутримембранное пространство Когда протоны двигаются из стороны Р (пи-сайд, P side) к стороне N (эн-сайд, N side) через Fo, цилиндр с10 и стержень γ-ε поворачиваются, приводя к изменению конформации субъединицы β комплекса F1 (с этими субъединицами поочереди реагирует γ-субъединица, что приводит к «постоянному» синтезу АТФ). Комплекс митохондриальной АТФ-синтазы: • Протон-движущая сила вызывает вращение центрального стержня (поэтому механизм называют «вращательным») • Это вызывает конформационное изменение у всех трех -пар • Конформационное изменение одной из трех пар приводит к «конденсации» АДФ и Фн в АТФ. АДФ + Фн → АТФ + H2O Комплекс митохондриальной АТФ-синтазы: • 3 Н+ дает 1 АТФ. • 10-100 молекул АТФ в секунду на одну АТФ-синтазу
