?

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

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).