NĂNG LƯỢNG SINH HỌC
GVHD: PGS TS. VÕ VĂN TOÀN
SVTH: BÙI QUANG NAM
LỚP: CAO HỌC SINH HỌC THỰC NGHIỆM – K18
Phosphoryl hóa oxy hóa

NADH và FADH2 được hình thành trong quá trình đường phân, oxy hóa acid béo, và chu trình acid citric là các phân tử giàu năng lượng vì mỗi chứa một cặp electron có mức năng lượng cao. Khi các electron này được sử dụng để oxy phân tử nước, một lượng lớn năng lượng tự do được giải phóng, có thể được sử dụng để tạo ra ATP. Phosphoryl hóa oxy hóa là quá trình trong đó ATP được hình thành từ kết quả của việc chuyển giao của các electron từ NADH hoặc FADH2 tới O2 bởi một loạt các chuỗi vận chuyển điện tử. Quá trình này sẽ diễn ra trong ty thể, là nguồn gốc chính của ATP trong các sinh vật hiếu khí (Hình 18.1). Ví dụ, phosphoryl hóa oxy hóa tạo ra 26 trong số 30 phân tử ATP được hình thành khi đường hoàn toàn bị oxy hóa thành CO2 và H2O.

1.Phosphoryl hóa oxy hóa

Phosphoryl hóa oxy hóa là khái niệm đơn giản nhưng phức tạp. Thật vậy, việc tìm hiểu cơ chế oxy hóa phosphoryl hóa là một trong những vấn đề khó khăn nhất của hóa sinh. Sự vận chuyển của các điện tử từ NADH hoặc FADH2 tới O2 thông qua phức hợp protein nằm ở màng trong ty thể dẫn đến việc bơm proton ra khỏi màng của ty thể, lạp thể. Kết quả là sự phân phối không đồng đều của các proton tạo ra một gradient pH và chênh lệch điện tích này tạo ra một proton cơ động. ATP được tổng hợp khi proton chảy ngược lại vào màng trong của ty lạp thể thông qua một phức hợp enzyme. Như vậy, quá trình oxy hóa của nhiên liệu và phosphoryl hóa ADP được thực hiện bằng sự chênh lệch gradient của hai bên màng trong ti thể. (Hình 18.2).

1. Phosphoryl hóa oxy hóa
Phosphoryl hóa oxy hóa là kết quả của một loạt các biến đổi năng lượng được gọi là hô hấp tế bào hoặc đơn giản là hô hấp trong toàn bộ của các loài. Đầu tiên, nhiên liệu carbon bị oxy hóa trong chu trình acid citric để nhường electron với năng lượng cao. Sau đó, lượng electron này được chuyển đổi thành lượng proton và, cuối cùng, lực lượng proton này được chuyển điện tử cho quá trình phosphoryl. Việc vận chuyển điện tử này được thực hiện bởi ba proton electron khiển máy bơm NADH-Q oxidoreductase, Q-cytochrome c oxidoreductase, và cytochrome c oxidase. Những phức hợp màng lớn chứa nhiều trung tâm oxy hóa khử, trong đó có quinon, flavin, cụm sắt-lưu huỳnh, hemes, và ion đồng. Giai đoạn cuối cùng của phosphoryl hóa oxy hóa được thực hiện bởi ATP synthase, Nhiều ATP được tổng hợp và được theo dòng chảy của các proton lại vào màng trong của ty lạp thể. Các thành phần của enzyme này đáng chú ý như là một phần của cơ chế xúc tác của nó. Oxy hóa phosphoryl hóa là một cách cho thấy gradient proton là một đồng tiền có thể chuyển đổi lẩn nhau và là năng lượng miễn phí trong các hệ thống sinh học.
2. Năng lượng Gradient Proton và sự tổng hợp ATP
Trong khái niệm này, năng lượng chuyển đổi trong quá trình oxy hóa phosphoryl hóa. Quá trình này có thể tóm tắt là quá trình vận chuyển điện tử và cuối cùng, chuyển cho quá trình phosphoryl hóa oxy hóa.
Như vậy đến nay, chúng tôi đã xem xét dòng điện tử từ NADH đến O2. 



Tiếp theo, chúng ta xem xét như thế nào quá trình này là cùng với việc tổng hợp ATP.

Sự chênh lệch proton trong màng ty thể thực hiện việc tổng hợp ATP. Phức hệ enzyme này ban đầu được gọi là ATPase mitochon-drial hoặc F1F0ATPase vì nó được phát hiện thông qua xúc tác của phản ứng ngược lại, sự thủy phân ATP. ATP synthase, tên thường gọi của nó, nhấn mạnh vai trò thực tế của nó trong ty thể. Nó cũng được gọi là complex V
Làm thế nào là quá trình oxy hóa của NADH cùng với sự phosphoryl hóa ADP? Nó lần đầu tiên được cho rằng sự vận chuyển điện tử dẫn đến sự hình thành của một chất vận chuyển ở mức năng lượng trung gian phục vụ như là một trung gian chuyển cho hợp chất tiềm năng hoặc sự hình thành của một cấu protein kích hoạt, sau đó sảy ra sự tổng hợp ATP. Việc tìm kiếm các trung gian như vậy trong nhiều thập kỷ không có kết quả.
Năm 1961, Peter Mitchell đề nghị vận chuyển điện tử và tổng hợp ATP được kết bằng một gradient proton qua màng ty thể bên trong chứ không phải một kết cộng hóa trị cao năng lượng trung gian hoặc một cấu protein kích hoạt. Trong mô hình của ông, việc chuyển electron qua chuỗi hô hấp dẫn đến việc bơm proton từ các màng trong về phía cytosolic của màng ty thể bên trong. H + tập trung nồng độ thấp ở bên trong màng trong ty thể, sự chênh lệch điện tích hay bên màng được tạo ra(Hình 18.25). Ý tưởng của Mitchell, được gọi là giả thuyết hoá thẩm, Lượng proton này đẩy quá trình tổng hợp ATP của ATP synthase. giả thuyết rất sáng tạo của Mitchell rằng quá trình oxy hóa và phosphoryl hóa được kết bằng một gradient proton được hỗ trợ bởi nhiều bằng chứng. Thật vậy, vận chuyển điện tử hiện đang tạo ra một gradient proton qua màng ty thể bên trong. Bên ngoài độ pH thấp hơn 1,4 đơn vị bên trong, và điện thế màng là 0,14 V, bên ngoài là dương. Như chúng ta đã tính toán trong phần 18.2.2, tiềm năng màng này tương ứng với một năng lượng miễn phí là 5,2 kcal (21,8 kJ) mỗi mol proton.
Một hệ thống nhân tạo được tạo ra để chứng minh với các nguyên tắc cơ bản của giả thuyết hoá thẩm thấu. túi tổng hợp có chứa bacteriorhodopsin, một protein màng từ halobacteria rằng bơm proton khi được chiếu sáng, và synthase ATP ti thể tinh chế từ tim bò được tạo ra (Hình 18.26). Khi các mụn nước đã được tiếp xúc với ánh sáng, ATP đã được hình thành. thí nghiệm quan trọng này cho thấy rõ ràng rằng chuỗi hô hấp và ATP synthase là những hóa hệ thống riêng biệt, chỉ được liên kết bởi một lực lượng proton.
3. ATP synthase là đơn vị xúc tác xúc tác sự tổng hợp năng lượng.

Sinh hóa, vi điện tử, và các nghiên cứu tinh thể học của ATP synthase đã tiết lộ nhiều chi tiết về cấu trúc của nó (Hình 18.27). Nó là một phức hợp enzym màng tế bào trông lớn trông giống như một quả bóng trên một cây gậy. Các bóng có đường kính 85 Å, được gọi là các tiểu đơn vị F1, nhô vào ma trận của ty lạp thể và có chứa hoạt tính xúc tác của enzym tổng hợp. Trong thực tế, các tiểu đơn vị bị cô lập F1 hiển thị thông qua hoạt động ATPase.
Các tiểu đơn vị F1 bao gồm năm loại chuỗi polypeptide (α3, β3, γ, δ, và ε) với lượng định. Các α và β tiểu đơn vị, trong đó chiếm phần lớn của F1, được bố trí xen kẽ trong một vòng hexameric; chúng tương đồng với nhau và là thành viên của gia đình P-loop NTPase (mục 9.4.1). Cả hai nucleotide không chỉ ràng buộc mà là tiểu đơn vị β trực tiếp tham gia xúc tác. Trung tâm bao gồm hai loại protein: γ và ε. Các tiểu đơn vị γ bao gồm một cuộn dây cuộn α-xoắn ốc dài mà kéo dài vào trung tâm của hexame α3β3. Các tiểu đơn vị γ phá vỡ đối xứng của các α3β3hexamer: mỗi tiểu đơn vị β là khác biệt nhờ tương tác của nó với một bộ mặt khác của γ. Phân biệt ba tiểu đơn vị β là rất quan trọng cho các cơ chế tổng hợp ATP.
Các tiểu đơn vị F0 là một thành phần kéo dài màng ty thể bên trong. F0 gồm các kênh proton rất phức tạp. Kênh này bao gồm một vòng gồm 10-14 tiểu đơn vị c được nhúng vào trong màng. Một đơn một tiểu đơn vị liên kết với bên ngoài của đơn vị này. Các kênh proton phụ thuộc vào cả một tiểu đơn vị và vòng c. Các F0 và F1 tiểu đơn vị được kết nối trong hai cách, theo cuống γε trung tâm và một cột bên ngoài. Cột bên ngoài bao gồm một một tiểu đơn vị, hai b tiểu đơn vị, và các tiểu đơn vị δ. Như sẽ được thảo luận trong thời gian ngắn, chúng ta có thể nghĩ về các enzyme là bao gồm hai thành phần chức năng: (1) một đơn vị di chuyển, hoặc cánh quạt, bao gồm các vòng c và cuống γε, và (2) một đơn vị trung tâm, hoặc gồm phần còn lại của phân tử.
4. Proton chạy qua ATP synthase dẫn đến sự hình thành của ATP và cơ chế của quá trình trên.
Trong khái niệm này , ATP synthase là nơi tổng hợp ATP với các chất hóa học và cơ học của ATPsynthase.
ATP synthase xúc tác sự hình thành của ATP từ ADP và quá trình phosphoryl.
 

Các chất thực tế là Mg2 và phức hợp của ADP và ATP, như trong tất cả các phản ứng chuyển phosphoryl được biết đến với các nucleotide. Một nguyên tử oxy cuối cùng bị ADP thu hút nguyên tử phốt pho của Pi để tạo thành một pentacovalent trung gian, sau đó phân ly thành ATP và H2O (Hình 18,28). Các nguyên tử oxy tấn công ADP và nguyên tử oxy và Pi tạo ra một tam giác bipyramid.

Làm thế nào để dòng chảy của proton tạo ra sự tổng hợp của ATP? Các kết quả của các thí nghiệm đồng vị trao đổi bất ngờ tiết lộ rằng các hình thức ATP enzyme-ràng buộc dễ dàng trong sự vắng mặt của một lực lượng proton cơ động. Khi ADP và Pi đã được thêm vào ATP synthase trong H218O, 18O trở nên tích hợp vào Pi thông qua quá trình tổng hợp ATP và thủy phân tiếp theo của nó (Hình 18,29). Tỷ lệ thành lập của 18O vào Pi cho thấy khoảng một lượng bằng nhau của ATP bị ràng buộc và ADP đang trong trạng thái cân bằng tại nơi xúc tác, ngay cả trong trường hợp không có một gradient proton. Tuy nhiên, ATP không rời khỏi trang thái xúc tác trừ khi proton chảy qua các enzyme. Như vậy, vai trò của gradient proton không phải là để tạo thành ATP nhưng để tạo ra nó từ synthase.
Trên cơ sở này và quan sát khác, Paul Boyer đề xuất một cơ chế ràng buộc thay đổi để tổng hợp ATP proton-driven. đề nghị này nói rằng những thay đổi trong tính chất của ba tiểu đơn vị β theo ADP tuần tự và Pi ràng buộc, tổng hợp ATP, và sảy ra sự tổng hợp ATP. Các khái niệm và đề nghị ban đầu này được xác mình gần đây và các dữ liệu khác tạo ra một cơ chế đáp ứng để tổng hợp ATP. Như đã lưu ý, tương tác với các tiểu đơn vị γ làm cho ba tiểu đơn vị β inequivalent (Hình 18.30). Một tiểu đơn vị β có thể được trong T, hay cấu trúc này. cấu này này liên kết với ATP. Thật vậy, mối quan hệ của nó đối với ATP là quá cao mà nó sẽ chuyển đổi ADP bị ràng buộc và Pi vào ATP với một hằng số cân bằng gần như 1, như được chỉ ra bởi các thí nghiệm đồng vị. Tuy nhiên, cấu tạo của tiểu đơn vị này là đủ ràng buộc mà nó không thể giải phóng ATP. Một tiểu đơn vị thứ hai sau đó sẽ có trong L, hoặc lỏng, cấu. cấu này liên kết với ADP và Pi. Nó cũng là đủ ràng buộc rằng nó không thể tạo ra các nucleotide bị ràng buộc. Các tiểu đơn vị cuối cùng sẽ được đóng, hoặc mở. Hình thức này có thể tồn tại với một nucleotide bị ràng buộc trong một cấu trúc tương tự như những người trong các hình thức T và L, nhưng nó cũng có thể chuyển đổi để tạo thành một cấu trúc mở hơn và tạo ra một nucleotide ràng buộc (Hình 18,31). Cấu trúc này, với một trong ba tiểu đơn vị β trong một trạng thái mở, nucleotide-miễn phí, cũng như một với một trong các tiểu đơn vị β trong một nucleotide đã được quan sát.
Các interconversion trong ba hình thức có thể được điều khiển bằng chuyển động quay của các tiểu đơn vị γ (Hình 18.32). Giả sử các tiểu đơn vị γ có thể xoay 120 độ theo hướng ngược chiều kim đồng (nhìn từ trên xuống). Vòng xoay này sẽ thay đổi các tiểu đơn vị trong cấu T vào O, cho phép các tiểu đơn vị để giải phóng ATP đã được hình thành bên trong nó. Các tiểu đơn vị trong L sẽ được chuyển đổi thành các T, cho phép chuyển đổi các ràng buộc ADP + Pi vào ATP. Cuối cùng, các tiểu đơn vị trong O cấu sẽ được chuyển thành L, bẫy ADP bị ràng buộc và Pi để nó không thể thoát khỏi. Các ràng buộc của ADP và Pi với tiểu đơn vị bây giờ trong O cấu tạo hoàn thành quá trình. Cơ chế này cho thấy ATP có thể được tổng hợp bằng lái xe vòng quay của các tiểu đơn vị γ theo hướng thích hợp. Tương tự như vậy, cơ chế này cho thấy sự thủy phân ATP bởi các enzyme nên vòng quay của các tiểu đơn vị γ theo hướng ngược lại.
5. Động cơ phân tử nhỏ nhất thế giới: Xúc tác sự quay
Làm sao để quan sát vòng xoay đề xuất trực tiếp? thí nghiệm được thực hiện với việc sử dụng một hệ thống thí nghiệm đơn giản bao gồm các tiểu đơn vị α3β3γ nhân bản(Hình 18,33). Các tiểu đơn vị β được thiết kế để chứa các thẻ polyhistidine amino- thiết bị đầu cuối, trong đó có một ái lực cao với các ion niken. các thẻ này cho phép lắp ráp α3β3 được cố định trên một bề mặt kính đã được phủ một lớp ion niken. Các tiểu đơn vị γ được liên kết với một sợi actin huỳnh quang dán nhãn để cung cấp một phân đoạn dài mà có thể được quan sát dưới kính hiển vi huỳnh quang. Đáng chú ý, việc bổ sung ATP gây ra các sợi actin để xoay theo hướng ngược chiều kim đồng. Các tiểu đơn vị γ được luân phiên, được thúc đẩy bởi sự thủy phân ATP. Do đó, các hoạt động xúc tác của một phân tử riêng lẻ có thể được quan sát thấy. Vòng xoay ngược chiều kim đồng là phù hợp với cơ chế dự đoán cho sự thủy phân bởi vì các phân tử này được nhìn từ bên dưới so với quan điểm thể hiện trong hình 18.32.
Phân tích chi tiết hơn trong sự hiện diện của nồng độ thấp của ATP tiết lộ rằng các tiểu đơn vị γ quay theo gia số 120-độ, với mỗi bước tương ứng với quá trình thủy phân của một phân tử ATP duy nhất. Ngoài ra, từ các kết quả thu được bằng cách thay đổi độ dài của sợi actin và mea-suring tỷ lệ luân chuyển, các enzyme xuất hiện để hoạt động hiệu quả gần 100%; nghĩa là, về cơ bản tất cả các năng lượng phát hành bởi ATP thủy phân được chuyển thành chuyển động quay.
6. Năng lượng của dòng proton và sự ATP Tổng hợp

Các quan sát trực tiếp của chuyển động quay của các tiểu đơn vị γ là bằng chứng mạnh mẽ cho cơ chế luân phiên để tổng hợp ATP. Câu hỏi cuối cùng còn lại là: Làm thế nào để dòng chảy proton qua F0 lái xe vòng quay của các tiểu đơn vị γ? Howard Berg và George Oster đề xuất một cơ chế cung cấp một câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi này. Các cơ chế phụ thuộc vào cấu trúc của a và c tiểu đơn vị của F0 (Hình 18,34). Cấu trúc của các tiểu đơn vị c được xác định bởi cả hai phương pháp NMR và tinh thể học tia X. Mỗi chuỗi polypeptide tạo thành một cặp xoắn α. Một dư lượng axit aspartic (Asp 61) được tìm thấy ở giữa của xoắn thứ hai.
Khi Asp 61 là tiếp xúc với phần kỵ nước của màng tế bào, chất cặn phải được ở dạng axit aspartic trung lập, chứ không phải trong tính, hình thức aspartate. Từ 9-12 c tiểu đơn vị lắp ráp thành một vòng màng trải dài đối xứng. Mặc dù cấu trúc của một tiểu đơn vị vẫn chưa được xác định bằng thực nghiệm, một loạt các bằng chứng là phù hợp với một cấu trúc bao gồm hai proton nửa kênh mà không mở rộng màng (xem Hình 18,34). Như vậy, các proton có thể đi vào một trong những kênh này, nhưng họ không thể di chuyển hoàn toàn qua màng. Việc một tiểu đơn vị trực tiếp tiếp giáp với vòng bao gồm các tiểu đơn vị c, với mỗi nửa kênh trực tiếp tương tác với một tiểu đơn vị c.
Với cấu trúc này, chúng ta có thể thấy một gradient proton có thể làm quay của vòng c. Giả sử rằng dư lượng Asp 61 của hai tiểu đơn vị c có liên lạc được với một nửa kênh đã lên proton của họ để họ có trong các hình thức aspartate tính (Hình 18,35), mà có thể vì họ đang có trong môi trường tương đối ưa nước bên trong nửa kênh. Chiếc nhẫn c không thể xoay theo nhiều hướng, bởi vì một vòng quay như vậy sẽ di chuyển một dư lượng aspartate tính thành phần kỵ nước của màng tế bào. Một proton có thể di chuyển qua một trong hai nửa kênh để proton một trong những dư lượng aspartate. Tuy nhiên, nó có nhiều khả năng để vượt qua thông qua các kênh được kết nối với phía cytosolic của màng vì nồng độ proton là hơn 25 lần cao ở phía bên này là ở phía màng trong, do tác động của vi điện tử protein vận chuyển chuỗi. Sự tham gia của các proton vào nửa kênh cytosolic là tiếp tục tạo điều kiện của điện thế màng của 0,14 V (dương ở bên trong tế bào), làm tăng nồng độ của proton gần miệng của nửa kênh cytosolic.
Nếu dư lượng aspartate là proton trung tính với nó, vòng bây giờ có thể xoay, nhưng chỉ trong một chiều kim đồng hồ. một vòng quay như vậy di chuyển các dư lượng axit aspartic mới proton tiếp xúc với màng, di chuyển các cặn aspartate tính từ tiếp xúc với ma trận nửa kênh đến nửa kênh cytosolic, và di chuyển một dư lượng axit aspartic proton khác nhau tiếp xúc với màng trong nửa kênh. sau đó các proton có thể phân ly từ axit aspartic và di chuyển qua nửa kênh vào ma trận proton nghèo để khôi phục lại tình trạng ban đầu. phân ly này được ưa chuộng bởi các điện tích dương trên một dư lượng arginine được bảo tồn (Arg 210) trong một tiểu đơn vị. Như vậy, sự khác biệt về nồng độ proton và tiềm năng ở hai bên của màng tế bào dẫn đến xác suất khác nhau của proton qua hai nửa kênh, trong đó sản lượng chuyển động quay hướng. Mỗi di chuyển proton qua màng tế bào bằng cách cưỡi xung quanh trên vòng xoay c để thoát qua màng trong (Hình 18,36).
Đơn vị này được liên kết chặt chẽ với các γ và tiểu đơn vị ε. Vì vậy, như vòng c biến, các tiểu đơn vị được bật bên trong đơn vị α3β3 hexame của F1. Cột bên ngoài hình thành bởi hai chuỗi b và các tiểu đơn vị δ ngăn hexame α3β3 từ quay. Như vậy, quay proton gradient hướng của vòng c chuyển động quay của các tiểu đơn vị γ, do đó thúc đẩy quá trình tổng hợp ATP thông qua các cơ chế ràng buộc thay đổi. Nhớ lại rằng số lượng các tiểu đơn vị c trong vòng c xuất hiện trong khoảng giữa 10 và 14. Con số này là quan trọng vì nó quyết định số proton phải được vận chuyển để tạo ra một phân tử ATP. Mỗi vòng quay 360 độ của các tiểu đơn vị γ dẫn đến sự tổng hợp và phát hành ba phân tử ATP. Vì vậy, nếu có 10 tiểu đơn vị c trong vòng (như đã được quan sát thấy trong một cấu trúc tinh thể của nấm men synthase ATP của ty lạp thể), mỗi ATP tạo ra đòi hỏi việc vận chuyển 10/3 = 3.33 proton. Để đơn giản, chúng ta sẽ cho rằng 3 proton phải chảy vào ma trận cho mỗi ATP hình thành, nhưng chúng ta phải nhớ rằng giá trị thực có thể khác nhau.
7. ATP synthase và G Protein có đặc điểm chung.
Các α và β tiểu đơn vị của ATP synthase là đơn vị của P-loop NTPase của protein. Trong chương 15, chúng tôi được biết các tính chất tín hiệu của các thành viên khác của nhóm này, các protein G, phụ thuộc vào khả năng của họ để ràng buộc triphosphate nucleoside và diphosphates nucleoside với động lực cao. Nó không trao đổi nucleotide trừ khi chúng được kích thích để làm như vậy bằng cách tương tác với các protein khác. Các cơ chế ràng buộc thay đổi của ATP synthase là một biến thể về việc này. Ba tiểu đơn vị khác nhau của các tiểu đơn vị γ của ATP synthase tương tác với các khu vực P-loop của tiểu đơn vị β để tạo các cấu trúc của một trong hai NDP- hoặc các hình thức NTP-ràng buộc và để tạo điều kiện tạo ra nucleotide. Các thay đổi về hình diễn ra một cách trật tự, được thúc đẩy bởi sự quay của các tiểu đơn vị γ.

CẢM ƠN THẦY ĐÃ XEM!