2.6: Клітинні фосфорилювання

Last updated
Save as PDF

Page ID: 4449

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Утворення трифосфатів має важливе значення для задоволення негайних енергетичних потреб клітини для синтезу, руху та сигналізації. У даний день середня людина використовує більше, ніж їх маса тіла в трифосфатах. Оскільки трифосфати є «валютою», яка задовольняє безпосередні потреби клітини, важливо розуміти, як виробляються трифосфати. Існує три механізми фосфорилювання: 1) рівень субстрату; 2) окислювальний; і 3) фотофосфорилювання. Ми розглядаємо їх тут індивідуально.

Рівень фосфорилювання субстрату

Найпростіший для розуміння тип фосфорилювання - це той, який відбувається на рівні субстрату. Цей тип фосфорилювання передбачає прямий синтез АТФ з АДФ і реактивного проміжного продукту, як правило, високоенергетичної фосфатсодержащей молекули. Фосфорилювання рівня субстрату є відносно незначним фактором загального синтезу трифосфатів клітинами. Приклад фосфорилювання субстрату походить від гліколізу.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): *Аденінові нуклеотиди.*

\[\ce{Phosphoenolpyruvate (PEP) + ADP <=> Pyuvate + ATP}\]

Ця реакція має дуже негативну\(ΔG^{o'}\) (-31,4 кДж/моль), що вказує на те, що ПЕП містить більше енергії, ніж АТФ, тим самим енергетично сприяючи синтезу АТФ. Інші трифосфати можуть бути зроблені шляхом фосфорилювання рівня субстрату, а також. Наприклад, GTP може бути синтезований наступною реакцією циклу лимонної кислоти

\[\ce{Succinyl-CoA + GDP + P_i <=> Succinate + GTP + CoA-SH}\]

Трифосфати можуть легко обмінюватися місцями в фосфорилюваннях рівня субстрату, каталізованих ферментом Нуклеозиддифосфаткіназа (NDPK). Генералізована форма реакцій, каталізованих цим ферментом, виглядає наступним чином:

\[\ce{XTP + YDP <=> XDP + YTP}\]

де\(\ce{X}\) може бути аденозин, цитидин, уридин, тимідин або гуанозин і\(\ce{Y}\) може бути будь-яким з них, а також. Останній, незвичайний спосіб синтезу АТФ фосфорилуванням рівня субстрату полягає в тому, що каталізується аденілаткіназою.

\[\ce{2 ADP <=> ATP + AMP}\]

Ця реакція є важливим засобом генерації АТФ, коли клітина не має інших джерел енергії. Накопичення АМФ, що виникає в результаті цієї реакції, активує ферменти, такі як фосфофруктокіназа, гліколізу, які будуть каталізувати реакції, щоб дати клітині додаткову, необхідну енергію.

Електронний транспорт/окислювальне фосфорилювання

Мітокохондрії називаються силовими установками клітини, оскільки більша частина АТФ клітини виробляється там, у процесі, який називається окислювальним фосфорилюванням. Механізм, за допомогою якого АТФ виробляється в окислювальному фосфорилуванні, є одним з найцікавіших процесів у всій біології. Він має три основні міркування. Перший - електричний - електрони з відновлених енергоносіїв, таких як NADH і FADH2, потрапляють в електронну транспортну систему через білкові комплекси, що містять залізо. Як видно на малюнку на наступній сторінці, електрони рухаються від одного комплексу до іншого, не на відміну від того, як вони можуть рухатися по електричному ланцюгу.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): *Мітохондрії.*

Наступний розгляд виникає як вторинне явище. При проходженні електронів через комплекси I, III і IV протони переміщаються з мітохондріальної матриці (всередині мітохондріона) і відкладаються в міжмембранному просторі (між внутрішньою і зовнішньою мембранами мітохондріона). Ефект цього перерозподілу полягає в збільшенні електричного та хімічного потенціалу по всій мембрані. Студенти можуть думати про процес як «зарядку акумулятора».

Так само, як заряджений акумулятор, потенціал, що виникає через диференціал протонів через мембрану, може бути використаний для виконання речей. Це третій розгляд. У мітохондріоні «річ», яку робить градієнт протона, - це створення АТФ з АДФ і Pi (неорганічного фосфату). Цей процес вимагає енергії і здійснюється переміщенням протонів через білковий комплекс у внутрішній мембрані мітохондрій. Білковий комплекс - це фермент, який має кілька назв, включаючи Complex V, PTAS (протонна транслокуюча АТФ-синтаза) та АТФ-синтаза. Центральне місце в його функції займає рух протонів через нього (ззовні назад в матрицю). Протони будуть рухатися через АТФ-синтазу лише в тому випадку, якщо їх концентрація більша за межами внутрішньої мембрани, ніж у матриці.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): *Транспортування електронів, починаючи з комплексу I.*

Підсумовуючи, електронна транспортна система заряджає батарею для окислювального фосфорилювання шляхом викачування протонів з мітохондріону. Інтактна внутрішня мембрана мітохондріона утримує протони поза, за винятком тих, які знову потрапляють через АТФ-синтазу. АТФ-синтаза дозволяє протонам знову потрапляти в мітохондріальний матрикс і збирає їх енергію для отримання АТФ.

АТФ-синтаза

Сама АТФ-синтаза - дивовижна наномашина, яка робить АТФ, використовуючи градієнт протонів, що протікають через нього з міжмембранного простору назад в матрицю. Нелегко зобразити в одному зображенні те, що робить синтаза. Малюнок праворуч ілюструє багатосубодиничний характер цього мембранного білка, який діє як турбіна на греблі гідроелектростанції. Рух протонів через АТФ-синтазу змушує його обертатися як турбіна, а спінінг необхідний для виготовлення АТФ.

У АТФ-синтазі спінінговим компонентом є мембранна частина (з кільцем) стебла F0. Білки кільця c пов'язані зі стеблом гамма-епсілона, який виступає в головку F1 грибної структури. Головка F1 містить каталітичну здатність виробляти АТФ. Головка F1 гексамерична за структурою з парними альфа- і бета-білками, розташованими в тримері димерів. Рух гамма-білка всередині альфа-бета-тримера змушує кожен набір бета-білків трохи змінити структуру на три різні форми, які називаються Loose, Tight і Open (L, T, O). Кожна з цих форм має свою функцію. Вільна форма пов'язує\(\ce{ADP}\) і\(\ce{P_i}\). Тісна форма «стискає» їх разом, утворюючи АТФ. Відкрита форма вивільняє АТФ в мітохондріальний матрикс. Таким чином, в результаті надлишку протона в міжмембранному просторі проводиться АТФ.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): *Три стану АТФ-синтази.*

Фотофосфорилювання

Третій вид фосфорилювання, щоб зробити АТФ, зустрічається тільки в клітині, які здійснюють фотосинтез. Цей процес схожий на окислювальне фосфорилювання декількома способами. Першочерговим відмінністю є кінцеве джерело енергії для синтезу АТФ. При окислювальному фосфорилуванні енергія надходить від електронів, що утворюються окисленням біологічних молекул. У разі фотосинтезу енергія надходить від світла сонця.

Фотони від сонця взаємодіють з молекулами хлорофілу в реакційних центрах в хлоропластах рослин або мембранах фотосинтетичних бактерій. Схема процесу показана вище. Подібність фотофосфорилювання з окислювальним фосфорилуванням включають:

ланцюг транспортування електронів
створення протонного градієнта
збирання енергії протонного градієнта шляхом виготовлення АТФ

за допомогою АТФ-синтази. Деякі відмінності включають:

джерело електронів —\(\ce{H2O}\) для фотосинтезу проти\(\ce{NADH/FADH2}\) окисного фосфорилювання
напрямок протонної накачування — в тилакоїдний простір хлоропластів проти поза матрицею мітохондріона
рух протонів при синтезі АТФ — з тилакоїдного простору в фотосинтезі проти мітохондріального матриксу
природа термінального електронного акцептора —\(\ce{NADP^{+}}\) у фотосинтезі проти\(\ce{O2}\) окислювального фосфорилювання.

Рисунок\(\PageIndex{7}\): *Рух електронів у фотосинтезі.*

Транспортування електронів у хлоропластах проти мітохондрій

У деякому сенсі рух електронів у хлоропластах під час фотосинтезу протилежний руху електронного транспорту в мітохондріях. У фотосинтезі вода є джерелом електронів і їх кінцевим призначенням є\(\ce{NADPH}\). У мітохондріях\(\ce{NADH/ FADH2}\) є електронними джерелами і\(\ce{H2O}\) є їх кінцевим призначенням.

Як біологічні системи змушують електрони йти обома шляхами? Здавалося б, це еквівалент переходу до певного місця і з нього, завжди йдучи вниз, оскільки електрони будуть рухатися відповідно до потенціалу. Відповіддю є захоплена енергія фотонів, яка піднімає електрони у фотосинтезі до енергії, де вони рухаються «вниз» до\(\ce{NADPH}\) місця призначення за Z-подібною схемою. Рух електронів по цій схемі у рослин вимагає енергії від фотонів в двох місцях, щоб «підняти» енергію електронів в достатній мірі. В останню чергу слід зазначити, що фотосинтез насправді має дві фази, іменовані світловим циклом (описаним вище) і темним циклом, який представляє собою сукупність хімічних реакцій, які захоплюють\(\ce{CO2}\) з атмосфери і «фіксують» її, в кінцевому рахунку, в глюкозу. Темний цикл також називають циклом Кальвіна.

Дописувачі

Template:ContribAhern