?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

В фильме (с благодарностью ripe_berry) схематично показывается, как работает АТФ-синтаза, сложное молекулярное электромеханическое устройство, приводимое в действие разностью электрохимического потенциала по разные стороны мембраны митохондрии и использующее эту энергию для синтеза молекулы аденозин-5’-трифосфата (АТФ). Реакция синтеза АТФ из аденозиндифосдата (АДФ) и иона фосфата эндотермическая, то есть забирает энергию из внешнего источника.

АДФ + PO43- + Е ⇔ АТФ

АТФ используется клетками как источник энергии во многих клеточных процессах. Та же самая реакция может идти и в обратном направлении, когда АТФ расщепляется на специальном белке-катализаторе обратно на АДФ и фосфат с выделением энергии.



АТФ-синтаза состоит из двух механизмов. Первый, F0, это электромотор, находящийся в клеточной мембране и превращающий энергию, запасенную в разности потенциалов по разные стороны клеточной мембраны. Липидная мембрана служит изолятором в этой электрохимической «батарейке»: через нее ионы не проходят. Разность потенциалов создается другими сложными механизмами в конечном счете из «сжигания» сахара в кислороде. Ион водорода H+ втягивается во «впускной коллектор» и присоединяется к белковой дольке ротора. Ротор поворачивается за счет электростатических сил, а долька, достигшая «выхлопного коллектора» мотора, освобождается от иона каталитическим белком, и этот ион проваливается внутрь клетки, опять же за счет электростатических сил, стремящихся выровнять потенциал по обе стороны мембраны. Таким образом, электроэнергия сначала превращается в механическую энергию вращения молекулярного вала, присоединенного к ротору и уходящего вглубь клетки, к механизму синтеза, F1.

Механико-химический реактор F1 состоит из трех белковых долек, каждая из которых состоит из двух белковых молекул (их называют α-F1 и β-F1, а вал сделан из одной молекулы, обозначаемой γ-F1). Каждая долька может принимать две устойчивые пространственные конфигурации за счет взаимного межатомного притяжения — как обычный настенный выключатель оказывается в двух устойчивых положениях, хотя промежуточные положения неустойчивы. Одно из этих положений, однако, имеет более высокую энергию. Молекулы сдвигаются в конфигурацию с более высокой энергией за счет асимметрии вращающегося γ-вала, как будто бы «кулачком» на нем.

Когда к αβ-комплексу присоединяется АДФ и ион фосфата, равновесие нарушается, и молекула, как пружинка с запасенной энергией, перепрыгивает в состояние с меньшей энергией, а запасенная энергия тратится на сближение АДФ и фосфатного иона, в результате чего те соединяются в молекулу АТФ, в конечном счете уносящую этот запас энергии.

Вращение механизма можно увидеть в микроскоп, если присоединить к ротору в F0 специально изготовленную длинную светящуюся (флюоресцирующую) молекулу-стержень. В самом конце фильма можно увидеть реконструкцию этого потрясающего опыта Масасуке Ёсиды и врезку с данными, показывающими вращение ротора.

Интересно, что на нижнем конце ротора имеется еще один белок, δ-F1, который тоже умеет изменять конфигурацию в присутствии АДФ, исходного реагента для реакции. Когда АДФ вокруг реактора оказывается мало, этот белок меняет форму и заклинивает ротор, чтобы не расходовать электрохимическую энергию вхолостую, поскольку продвижение ионов H+ через остановленный ротор невозможно. Да, и об экономии клеточной электроэнергии природа тоже «подумала»!

Больше информации о работе АТФ-синазы можно найти в конспекте А. Крафтса из университета Иллинойса (англ.), а кое-что из истории исследования этого механизма здесь, по-русски.

Tags:

Comments

( 29 comments — Leave a comment )
9000
Dec. 9th, 2012 07:35 am (UTC)
Завораживающее зрелище.
fregimus
Dec. 9th, 2012 07:51 am (UTC)
Я вот все думаю: неужели проще нельзя было сделать?
posidelkin
Dec. 12th, 2012 12:52 pm (UTC)
Нельзя, скорее всего
Есть принципиальная проблема - выход энергии при дыхании такой большой, что его хватает на синтез кучи молекул АТФ (десятки штук на одну молекулу глюкозы, в противоположность всего двум при глизолизе). Пытаться сделать единый фермент или цепочку ферментов, который как-то будет эту нестыковку в уровнях энергии стыковать, крайне напряжно. Проще сделать систему всего из двух больших элементов, которая бы где-то запасала лишнюю энергию, а потом тратила. Ее природа и сделала - в виде комбинации электронно-транспортной цепи, которая запасает энергию в виде градиента протонов, и АТФ-синтазы, которая использует этот градиент для синтеза АТФ.
termometr
Dec. 12th, 2012 06:19 pm (UTC)
это вряд ли так, как Вы пишете.
Быстрые переменные много не запасут
spamsink
Dec. 9th, 2012 08:00 am (UTC)
За миллиард лет можно еще и не о таком подумать!
fregimus
Dec. 9th, 2012 08:08 am (UTC)
Ну, всегда ведь хочется более детального объяснения.
termometr
Dec. 9th, 2012 08:29 am (UTC)
Реакция... эндотермическая, то есть требует внешнего источника энергии.
***
тут ошибка.
fregimus
Dec. 9th, 2012 08:30 am (UTC)
Ах, не томите же: и какая именно?
termometr
Dec. 9th, 2012 08:36 am (UTC)
эндотермические реакции могут идти спонтанно. Направление реакции задает не энтальпия, а свободная энергия Гиббса
fregimus
Dec. 9th, 2012 08:49 am (UTC)
Дык замерзнет же все, и инеем покроется!
termometr
Dec. 9th, 2012 08:55 am (UTC)
придеццо шубы покупать, термодинамика слезам не верит.

fregimus
Dec. 9th, 2012 09:11 am (UTC)
Ну да, как-то, поди так. Там процессов всяких стопиццот мильонов идет, думаю, любые отыщутся, если локально смотреть. И все-таки утверждение Шредингера должно быть верным, если чохом смотреть: в целом, биосфера содержит постоянную энергию, что приходит, то и уходит, а энтропию свою уменьшает за счет существенной неравновесности себя с излучением солнышка.
termometr
Dec. 9th, 2012 09:56 am (UTC)
тут у Вас целый коктейль получился.
1. "Главный из принципов — построение и исследование простейших, или базовых, моделей, описывающих суть явления и позволяющих получить достаточно общие качественные результаты. С нашей точки зрения это отражает «принцип простоты», заложенный в построении самих биологических систем: для целей наилучшего управления биологическим объектом он должен быть устроен максимально просто (при условии выполнения заданной функции). "
http://www.twirpx.com/file/192798/ -это к проблеме "любые отыщутся". Не любые.

2. "утверждение Шредингера должно быть верным" - апериодический кристалл потребляет негэнтропию. вот, посмотрите тут -
http://ufn.ru/ru/articles/2010/4/a/references.html . Несмотря на многие спорные моменты, Иваницкий, пожалуй. прав в том, что потребляем мы, живые, все-таки свободную энергию Гиббса, а не отрицательную энтропию.

3. на счет Солнышка, оно, само собой, независимо от Шреденгера.
http://ivanov-petrov.livejournal.com/1794382.html?thread=91439950#t91439950

ну, и на счет начала разговора. Когда мы солим воду тепло спонтанно поглощается и раствор становится чуть холоднее. Это не экзотика.
fregimus
Dec. 9th, 2012 10:11 am (UTC)
Да я понимаю, конечно, что не экзотика, и что такое эндотермическая реакция. Как ни странно, химическая термодинамика — моя первая работа. Правда, это было так давно, что мне уже не стоит этим хвалиться.

Первое утверждение несколько сомнительно (я из одной Вашей цитаты сужу). Может, в модели биологический объект и должен быть устроен просто, но я столько в нервно-мозговых делах этой "простоты" навидался, что боже упаси. Даже и этот механический реактор с моторчиком чего стоит. С чего бы взяться простоте в эволюции?

За Иваницкого спасибо, любопытно. Сейчас прочту внимательнее.
termometr
Dec. 9th, 2012 10:43 am (UTC)
первое утверждение - это ИМХО весьма глубокий принцип.
тут надо всю книжку ДС Чернавского прочитать.

Кстати, все эти картинки и фильмы про молекулы с моторчиками достаточно серьезно обоснованы в другой книжке Чернавского "Белок-машина". а эти кинопародии лично у меня вызывают ухмылку. ИМХО опять пытаются выдавать ментальные схемы за реальность.

termometr
Dec. 9th, 2012 10:58 am (UTC)
а Иваницкий, боюсь Вас разочарует. хотя прочитать, конечно. стоит
fregimus
Dec. 23rd, 2012 05:25 am (UTC)
Нет, Иваницкий меня отнюдь не разочаровал — напротив, очень любопытно. Многого я не знал, а библиография просто роскошная. Признателен за наводку!

В самом деле, обратная задача некорректна: обратить движение модели вспять невозможно, прошлое как бы скрыто фазовыми переходами. Можно нащупать начальные условия и уравнения (Вольфрам сейчас этим как раз занимается), но достоверно ответить, что, мол, жизнь (язык, сознание, и т. д.) произошла так и так, наверное, никогда не получится. Впрочем, ожидать от науки абсолютно достоверных ответов и не следует.
fregimus
Dec. 9th, 2012 10:25 am (UTC)
Я напишу, что забирает энергию из внешнего источника, не влезая в разные потенциалы. Годится?
termometr
Dec. 9th, 2012 10:38 am (UTC)
Поскольку реакция... сильно эндотермическая, она требует внешнего источника энергии.
- так обычно пишут в подобных случаях. типо кому надо - поймут, а мы не соврали.
clayrat
Dec. 9th, 2012 01:57 pm (UTC)
читал кстати где-то, что моторчик синтазы произошел от жгутикового моторчика прокариот
wecanstoptrain
Dec. 9th, 2012 08:57 pm (UTC)
в вики, в статье про жгутик сказано, что у Escherichia coli для одного оборота жгутика требуется перемещение около 1000 протонов.
А тут 1 протон на оборот.

Причем для переключения направления вращения необходимо изменение в роторе, а не как в синтезе АТФ, в статоре:
The direction of rotation can be switched almost instantaneously, caused by a slight change in the position of a protein, FliG, in the rotor.

Edited at 2012-12-09 09:05 pm (UTC)
clayrat
Dec. 9th, 2012 09:06 pm (UTC)
ну, соптимизировалось, мощность то поменьше нужна
wecanstoptrain
Dec. 9th, 2012 09:51 pm (UTC)
ну да, там еще и обороты у ненагруженного ротора бешеные - до 17000 RPM
fregimus
Dec. 9th, 2012 09:13 pm (UTC)
Похоже. Только здесь не 1 протон на оборот, больше, конечно. Энтальпия реакции, если не путаю, где-то -2,5 эВ — то есть, три протона на один синтез как минимум.

Испр. Чушь я несу, недопроснувшись. Величина протонного градиента сотни милливольт. То есть, получается единицы или малые десятки протонов на 1 синтез.

Edited at 2012-12-09 09:29 pm (UTC)
wecanstoptrain
Dec. 9th, 2012 09:48 pm (UTC)
а, понял, там же за один оборот несколько циклов посадки/высадки пассажировпротонов. Просто один протон совершает almost full circle, это меня и ввело в заблуждение. Интересно, какой механизм запрещает ротору вращаться в обратном направлении? Там же вроде как энергетически выгоднее получается.
fregimus
Dec. 9th, 2012 09:53 pm (UTC)
Это же схема. В целом — сверху плюс, снизу минус, протоны стремятся внутрь клетки. А как конкретно там этот ротор вывернут — не совсем все так, как на упрощенном рисунке.
fregimus
Dec. 23rd, 2012 05:28 am (UTC)
Говорят, 13 долек в роторе. Получается, где-то 11-12 протонов на один оборот, то есть на 3 синтеза АТФ. Грубо, 3—4 протона на 1 синтез, то есть энтальпия 1—1,5 эВ.
Лев Верховский
Jan. 21st, 2013 02:59 pm (UTC)
АТФ-синтаза
В журнале "Химия и жизнь" (1990, № 4) была гипотеза Р.Микельсаара из Тарту о строении липидной биомембраны (см. также его статью в "Molecular Crystals and Liquid Crystals", 1987, v.152, Nov., p.229). Суть в том, что шесть хвостов трёх фосфолипидов образуют шестиугольную призму с полостью внутри (и такими тройками липидов выложена вся плоскость). Эту полость заполняет либо льдоподобная трубочка структурированной воды (в гидрофобном окружении она замерзает при положит., возможно, физиологической температуре), либо три молекулы холестерина (стерическое соответствие показано на объёмных пластмас. моделях). Становится ясен смысл фазового перехода мембраны -- плавятся не хвосты, а лёд в призмах (а холестерин снимает фазовый переход -- ведь воды нет). Объясняется много других вещей.
В № 10 того же журнала за тот же год на основе гипотезы Микельсаара я изложил свою идею -- о работе АТФ-синтазы: реакция синтеза-гидролиза АТФ сдвигается в ту или иную сторону в зависимости от фазового перехода мембраны (состояния воды в ней). Если мембрана заряжается, то она сжимается и плавится -- избыток воды, реакция идёт в сторону гидролиза АТФ. А если несколько протонов пройдут через мембрану, она разрядится и вода замерзнёт -- равновесие сдвинется в сторону синтеза АТФ (из-за уменьшения активности воды -- её вымораживания).
( 29 comments — Leave a comment )