Атф-синтаза

3. Фізіологічне значення

Як і у багатьох інших ферментів, дія АТФ-синтази F 1 F O оборотно. Великі концентрації АТФ змушують її розщеплювати АТФ і створювати трансмембранний протонний градієнт. Таке використання АТФ-синтази зазначено у анаеробних бактерій, які не мають електронної транспортної ланцюжка. Ці бактерії застосовують гідроліз АТФ для створення протонного градієнта, який задіяний в русі джгутиків і клітинному харчуванні.

У аеробних бактерій в нормальних умовах АТФ-синтаза, як правило, працює в зворотному напрямку, виробляючи АТФ за рахунок енергії електрохімічного потенціалу, створюваного електронної транспортної ланцюжком. В цілому даний процес називається окислювальним фосфорилюванням. Він протікає і в мітохондріях еукаріот, на внутрішній мембрані яких розташовані молекули АТФ-синтази, причому компонент F 1 знаходиться в матриксі, де і протікає процес синтезу АТФ з АДФ і фосфату.

ККД АТФ-синтази близький до 100% .

2. Модель синтезу АТФ: механічний каталіз

У 60-70 роках XX століття Пол Бойер припустив, що синтез АТФ пов’язаний зі змінами конфігурації АТФ-синтази, що викликаються обертанням γ-субодиниці, так званий механізм зміни ділянки зв’язування («перевертиш», англ. flip-flop ). Дослідницькій групі під керівництвом Джона Е. Уокера, ставилася тоді до Лабораторії молекулярної біології в Кембриджі, вдалося виділити АТФ-сінтазний каталітичний комплекс F 1 в кристалічній формі. На той момент це була найбільша з відомих науці асиметрична білкова структура. Її дослідження показали, що модель обертового каталізу, запропонована Бойером, відповідає дійсності. За це відкриття Бойер і Уокер отримали половину Нобелівської премії з хімії в 1997 році. Другу половину отримав Йенс Крістіан Скоу «за перше відкриття ферменту, що здійснює транспорт іонів — Na +, K +-аденозінтріфосфатази».

Кристал F 1 складається з переміжних α-і β-субодиниць (по 3 кожного виду), розташованих що часточки апельсина навколо асиметричної γ-субодиниці. Відповідно до прийнятої моделі синтезу АТФ (також званої моделлю непостійного каталізу), градієнт електричного поля, спрямований поперек внутрішньої мітохондріальної мембрани і зумовлений електронної транспортної ланцюжком, змушує протони проходити крізь мембрану через АТФ-сінтазний компонент F O. Частина компонента F O (кільце з c-субодиниць) обертається, коли протони проходять через мембрану. Це c-кільце жорстко пов’язано з асиметричною центральної ніжкою (що складається в основному з γ-субодиниці), яка в свою чергу обертається усередині α 3 β 3-ділянки компонента F 1. Це призводить до того, що три ділянки каталізу, що зв’язуються з нуклеотидами, зазнають зміни в конфігурації, що призводять до синтезу АТФ.

Основні субодиниці (α 3 β 3) компонента F 1 з’єднані додаткової бічної ніжкою з нерухомим ділянкою F O, що запобігає їх обертання разом з γ-субодиницею. Структура неушкодженою АТФ-синтази з низькою точністю виявлена ​​за допомогою електронної кріомікроскопії (ЕКМ). Показано, що бічна ніжка — це гнучка перемичка, схожа на канат, намотуються на комплекс під час його роботи.

При кожному оберті γ-субодиниці на 360 синтезуються три молекули АТФ, При цьому, мабуть, у різних організмів з межмембранного простору в матрикс проходить від 10 до 14 протонів — по числу с-субодиниць .

В певних умовах каталітична реакція може протікати в зворотному напрямку, при цьому гідроліз АТФ викликає прокачування протонів через мембрану.

У механізмі зміни ділянки зв’язування задіяний активний ділянку β-субодиниці, послідовно проходить через три стани .

В «відкритому» стані АДФ і фосфат підходять до активного ділянці. Потім білок охоплює ці молекули і вільно зв’язується з ними («вільне» стан). Наступна зміна форми білка притискає молекули один до одного («тісне» стан), що призводить до формування АТФ. Нарешті, активний ділянку знову переходить в «відкритий» стан, звільняє АТФ і пов’язує таку молекулу АДФ і фосфату, після чого цикл виробництва АТФ повторюється.

Эволюция АТФ-синтазы

Эволюция АТФ-синтазы считается примером модульной эволюции, при которой две субъединицы, каждая обладающая своими функциями, соединились и получили новые функции.

Гексамер α3β3, входящий в состав компонента F1 проявляет существенное сходство с гексамерной ДНК-геликазой. Оба типа ферментов образуют кольцо с вращательной симметрией 3 порядка, обладающее центральной пóрой. Действие каждого из них также зависит от относительного вращения макромолекулы внутри поры: геликазы используют спиральную форму ДНК для движения вдоль неё и для обнаружения суперскручивания, тогда как α3β3-гексамер использует изменения своей конфигурации из-за вращения γ-субъединицы для осуществления каталитической реакции.

Протонный мотор компонента FO проявляет большое функциональное сходство с протонными моторами жгутиков. И там, и там присутствует кольцо из множества небольших богатых α-спиралями белков, вращающихся относительно соседних неподвижных белков за счёт энергии протонного градиента. Это, конечно, очень зыбкое сходство, так как структура жгутиковых моторов гораздо сложнее, чем FO, а вращающееся белковое кольцо гораздо крупнее и состоит из 30 субъединиц против 10, 11 или 14, входящих в состав компонента FO.

Теория молекулярной эволюции предполагает, что две субъединицы с независимыми функциями — ДНК-геликаза с дополнительным АТФ-азным действием и протонный мотор — смогли соединяться, причём вращение мотора вызывало проявление АТФ-азной активности геликазы. Или же, наоборот, в первичной связке ДНК-геликазы и протонного мотора гидролиз АТФ на геликазе заставлял работать протонный мотор. Это соединение затем постепенно оптимизировалось, получило возможность катализировать обратную реакцию и через какое-то время превратилось в сложную АТФ-синтазу, существующую в настоящее время. Однако, до сих пор неясен механизм происхождения протонного мотора, который без геликазы или других комплексов не представляет никакой пользы.

Ферментативная активность

цистатионин бета-синтаза
Идентификаторы
Номер ЕС
Количество CAS
Базы данных
IntEnz
BRENDA
ExPASy
КЕГГ
MetaCyc
ПРИАМ
Структуры PDB
Генная онтология
Поиск
ЧВК
PubMed
NCBI

Метаболизм цистеина. Цистатионин-бета-синтаза катализирует верхнюю реакцию, а цистатионин-гамма-лиаза катализирует нижнюю реакцию.

Транссульфурация, катализируемая CBS, превращает гомоцистеин в цистатионин , который цистатион-гамма-лиаза превращает в цистеин .

CBS занимает центральное место в метаболизме серы у млекопитающих в месте соединения гомоцистеина, где принимается решение сохранить метионин или преобразовать его в цистеин через путь транссульфурации . Более того, путь транссульфурации — единственный путь, способный удалять серосодержащие аминокислоты в условиях избытка.

По аналогии с другими β-замещающими ферментами, реакция, катализируемая CBS, предположительно будет включать ряд промежуточных соединений, связанных с adoMet . Добавление серина приводит к реакции трансхиффизации , в результате которой образуется внешний альдимин . В Альдимине подвергается протонной абстракции в альфа-углероде с последующим элиминированием , чтобы генерировать амино- акрилата промежуточного. Нуклеофильная атака тиолатом гомоцистеина на аминоакрилат и репротонирование на Cα генерируют внешний альдимин цистатионина . Конечная реакция трансальдиминирования высвобождает конечный продукт, цистатионин. Конечный продукт, L-цистатионин, также может образовывать промежуточное аминоакрилатное соединение, что указывает на то, что вся реакция CBS обратима.

Измеренное значение V реакции, катализируемой ферментами, как правило, отражает установившееся состояние (где является постоянным), даже если V ограничивается ранней частью реакции, и анализ этих начальных скоростей относится к как установившаяся кинетика. Кинетический анализ устойчивого состояния дрожжевого CBS дает параллельные линии. Эти результаты согласуются с предложенным механизмом пинг-понга, в котором за связыванием серина и высвобождением воды следует связывание гомоцистеина и высвобождение цистатионина. Напротив, стационарная кинетика фермента крысиного CBS дает пересекающиеся линии, что указывает на то, что β-заместитель серина не высвобождается из фермента до связывания гомоцистеина.

Одна из альтернативных реакций с участием CBS — это конденсация цистеина с гомоцистеином с образованием цистатионина и сероводорода (H 2 S). H 2 S в головном мозге производится CBS из L-цистеина. Этот альтернативный метаболический путь также зависит от adoMet .

Активность фермента CBS обнаруживается не во всех тканях и клетках. Он отсутствует в сердце, легких, яичках, надпочечниках и селезенке у крыс. Было показано, что у людей он отсутствует в сердечной мышце и первичных культурах эндотелиальных клеток аорты человека. Отсутствие CBS в этих тканях означает, что эти ткани не могут синтезировать цистеин и что цистеин должен поступать из внеклеточных источников. Это также предполагает, что эти ткани могут иметь повышенную чувствительность к токсичности гомоцистеина, потому что они не могут катаболизировать избыток гомоцистеина через транссульфурацию.

Регулирование

Реакция сильно регулируется аллостерическими эффекторами, такими как глюкозо-6-фосфат (активатор), и реакциями фосфорилирования (дезактивация). Аллостерическое активирующее действие глюкозо-6-фосфата позволяет гликогенсинтазе действовать как сенсор глюкозо-6-фосфата. Инактивирующее фосфорилирование запускается гормоном глюкагоном , который секретируется поджелудочной железой в ответ на снижение уровня глюкозы в крови. Фермент также расщепляет сложноэфирную связь между положением C1 глюкозы и пирофосфатом самого UDP.

Контроль гликогенсинтазы — ключевой шаг в регулировании метаболизма гликогена и хранения глюкозы. Гликогенсинтаза напрямую регулируется киназой гликогенсинтазы 3 (GSK-3), AMPK , протеинкиназой A (PKA) и казеинкиназой 2 (CK2). Каждая из этих протеинкиназ приводит к фосфорилированию и каталитически неактивной гликогенсинтазе. Сайты фосфорилирования гликогенсинтазы суммированы ниже.

имя Сайт фосфорилирования Киназа Ссылки)
Участок 1а PKA ,
Сайт 1b PKA ,
Сайт 2 Серин 7 AMPK ,
Площадка 2а Серин 10 CK2
Площадка 3а Серин 641 ГСК-3
Сайт 3b Серин 645 ГСК-3
Сайт 3c Серин 649 ГСК-3
Сайт 3d Серин 653 ГСК-3
Сайт 4 Серин 727

Для ферментов семейства GT3 эти регуляторные киназы инактивируют гликогенсинтазу, фосфорилируя ее по N-концу 25-го остатка и C-концу 120-го остатка. Гликогенсинтаза также регулируется протеинфосфатазой 1 ( PP1 ), которая активирует гликогенсинтазу посредством дефосфорилирования. PP1 нацелен на осадок гликогена с помощью четырех нацеленных субъединиц, G M , G L , PTG и R6 . Эти регуляторные ферменты регулируются сигнальными путями инсулина и глюкагона .

Структура

NOS могут быть димерным , кальмодулин-зависимым или кальмодулин-содержащим цитохромом p450- подобным гемопротеином, который объединяет каталитические домены редуктазы и оксигеназы в один димер, несут как флавинадениндинуклеотид (FAD), так и флавинмононуклеотид (FMN), и осуществляют 5′- электронное окисление неароматической аминокислоты аргинина с помощью тетрагидробиоптерина.

Первая идентифицированная синтаза оксида азота была обнаружена в нейрональной ткани (NOS1 или nNOS); эндотелиальной NOS (Енос или NOS3) был третьим , чтобы быть идентифицированы. Первоначально они были классифицированы как «конститутивно экспрессируемые» и « чувствительные к Ca 2+ », но теперь известно, что они присутствуют во многих различных типах клеток и что экспрессия регулируется в определенных физиологических условиях.

В NOS1 и NOS3 физиологические концентрации Ca 2+ в клетках регулируют связывание кальмодулина с «доменами защелки», тем самым инициируя перенос электронов от флавинов к гемовым фрагментам. Напротив, кальмодулин остается прочно связанным с индуцибельной и нечувствительной к Ca 2+ изоформой (iNOS или NOS2) даже при низкой внутриклеточной активности Ca 2+ , действуя по существу как субъединица этой изоформы.

Оксид азота сам может регулировать экспрессию и активность NOS. В частности, было показано, что NO играет важную регуляторную роль по отрицательной обратной связи в отношении NOS3 и, следовательно, функции эндотелиальных клеток сосудов. Было показано, что этот процесс, формально известный как S- нитрозирование (и называемый многими в этой области как S- нитрозилирование), обратимо ингибирует активность NOS3 в эндотелиальных клетках сосудов. Этот процесс может быть важным, потому что он регулируется окислительно-восстановительными условиями клетки и, таким образом, может обеспечивать механизм связи между «окислительным стрессом» и эндотелиальной дисфункцией. В дополнение к NOS3 было обнаружено, что как NOS1, так и NOS2 являются S- нитрозированными, но доказательства динамической регуляции этих изоформ NOS с помощью этого процесса менее полны. Кроме того, как NOS1, так и NOS2, как было показано, образуют железо-нитрозильные комплексы в своих простетических группах гема, которые могут действовать частично, самоинактивируя эти ферменты при определенных условиях. Ограничивающим скорость этапом производства оксида азота вполне может быть доступность L- аргинина в некоторых типах клеток

Это может быть особенно важно после индукции NOS2.

Классификация

Различные члены семейства NOS кодируются отдельными генами. У млекопитающих известны три изоформы: две конститутивные (cNOS) и третья индуцибельная (iNOS). Клонирование ферментов NOS указывает на то, что cNOS включают как конститутивные ( NOS1 ), так и эндотелиальные ( NOS3 ); третий — индуцибельный ( NOS2 ) ген. Недавно активность NOS была продемонстрирована у нескольких видов бактерий, включая печально известные патогены Bacillus anthracis и Staphylococcus aureus.

Различные формы NO-синтазы классифицируются следующим образом:

название Ген (ы) Расположение Функция
Нейрональная БДУ (nNOS или NOS1) NOS1 (хромосома 12)
  • нервная ткань
  • скелетные мышцы II типа
Индуцируемые БДУ (iNOS или NOS2)

Нечувствителен к кальцию

NOS2 (хромосома 17)
  • иммунная система
  • сердечно-сосудистая система
Эндотелиальная БДУ (eNOS или NOS3 или cNOS) NOS3 (хромосома 7)
Бактериальный БДУ (bNOS) множественный

nNOS

Нейрональная NOS (nNOS) продуцирует NO в нервной ткани как в центральной, так и в периферической нервной системе . В его функции входят:

  • Синаптическая пластичность в центральной нервной системе (ЦНС)
  • Расслабление гладких мышц
  • Центральная регуляция артериального давления
  • Расширение сосудов через периферические нитрергические нервы

Нейрональная БДУ также играет роль в клеточной коммуникации и связана с плазматическими мембранами. Действие nNOS может подавляться NPA ( N-пропил-L-аргинин ). Эта форма фермента специфически ингибируется 7-нитроиндазолом .

Субклеточная локализация nNOS в скелетных мышцах опосредуется закреплением nNOS на дистрофине . nNOS содержит дополнительный N-концевой домен, домен PDZ .

Ген, кодирующий nNOS, расположен на хромосоме 12.

iNOS

В отличие от критической кальций-зависимой регуляции конститутивных ферментов NOS (nNOS и eNOS), iNOS была описана как нечувствительная к кальцию, вероятно, из-за ее тесного нековалентного взаимодействия с кальмодулином (CaM) и Ca 2+ . Ген, кодирующий iNOS, расположен на хромосоме 17. Хотя доказательства «исходной» экспрессии iNOS были неуловимы, IRF1 и NF-κB- зависимая активация индуцибельного промотора NOS поддерживает стимуляцию этого транскрипта, опосредованную воспалением. iNOS продуцирует большое количество NO при стимуляции, например, провоспалительными цитокинами (например, интерлейкином-1 , фактором некроза опухоли альфа и интерфероном гамма ).

Индукция iNOS с высоким выходом обычно происходит в окислительной среде, и, таким образом, высокие уровни NO имеют возможность реагировать с супероксидом, что приводит к образованию пероксинитрита и токсичности для клеток. Эти свойства могут определять роль iNOS в иммунитете хозяина, делая возможным его участие в антимикробной и противоопухолевой активности как часть окислительного взрыва макрофагов.

Было высказано предположение , что патологическое образование оксида азота путем увеличение производства Inos может уменьшить маточные цилиарные удары и гладкие мышечные сокращения , и , таким образом , влияет на эмбрион транспорта, который может , следовательно , привести к внематочной беременности .

eNOS

Эндотелиальная NOS (eNOS), также известная как синтаза оксида азота 3 (NOS3), генерирует NO в кровеносных сосудах и участвует в регуляции функции сосудов. Ген, кодирующий eNOS, расположен на хромосоме 7. Конститутивная зависимая от Ca 2+ NOS обеспечивает базальное высвобождение NO. eNOS связан с «кавеолами», компонентом плазматических мембран, окружающих клетки, и мембран тельцов Гольджи внутри клеток. Локализация eNOS на эндотелиальных мембранах опосредуется котрансляционным N-концевым миристоилированием и посттрансляционным пальмитоилированием .

bNOS

Бактериальная NOS (bNOS) защищает бактерии от окислительного стресса, различных антибиотиков и иммунного ответа хозяина. bNOS играет ключевую роль в транскрипции супероксиддисмутазы (SodA). Бактерии на поздних стадиях логарифмической фазы, не обладающие bNOS, не могут активировать SodA, что отключает защиту от вредного окислительного стресса. Первоначально bNOS мог присутствовать для подготовки клетки к стрессовым условиям, но теперь, похоже, помогает защитить бактерии от обычных противомикробных препаратов. В качестве клинического применения ингибитор bNOS может быть получен для уменьшения количества грамположительных бактерий.

Гипоэнергетические состояния

Причиной гипоэнергетических состояний может быть следующее:

  • гиповитаминозы экзогенные и/или эндогенные – снижается скорость и эффективность окислительных реакций. Возникает обычно при нехватке витаминов – В1, В2, никотиновой кислоты, В6, пантотеновой кислоты и аскорбиновой кислоты,
  • дефицит белка в пище – снижается синтез всех ферментов и ферментов катаболизма в частности,
  • снижение потребления углеводов и липидов как основных источников энергии,
  • дефицит кислорода – отсутствие акцептора для электронов вызывает «переполнение» дыхательных ферментов, накопление НАДН и ФАДН2 в клетке и прекращение катаболизма,
  • дефицит железа – компонента цитохромов, миоглобина и гемоглобина, и меди – компонента цитохромоксидазы.

Структура и номенклатура

Имеющаяся в митохондриях АТФ-синтаза F1FO очень хорошо исследована.

  • компонент FO — трасмембранный домен,
  • компонент F1 находится вне мембраны, в матриксе.

АТФ-синтазный комплекс FOF1 по форме напоминает плодовое тело гриба, у которого компонент F1 — это шляпка, ножка — это γ-субъединица компонента F1, а «корни» гриба — компонент FO, заякоренный в мембране.

В структурно-функциональном плане АТФ-синтетаза состоит из двух крупных фрагментов, обозначаемых символами F1 и FO. Первый из них (фактор сопряжения F1) обращён в сторону матрикса митохондрии и заметно выступает из мембраны в виде сферического образования высотой 8 нм и шириной 10 нм. Он состоит из девяти субъединиц, представленных пятью типами белков. Полипептидные цепи трёх субъединиц α и стольких же субъединиц β уложены в похожие по строению белковые глобулы, которые вместе образуют гексамер (αβ)3, имеющий вид слегка приплюснутого шара. Подобно плотно уложенным долькам апельсина, последовательно расположенные субъединицы α и β образуют структуру, характеризующуюся осью симметрии третьего порядка с углом поворота 120°. В центре этого гексамера находится субъединица γ, которая образована двумя протяжёнными полипептидными цепями и напоминает слегка деформированный изогнутый стержень длиной около 9 нм. При этом нижняя часть субъединицы γ выступает из шара на 3 нм в сторону мембранного комплекса F. Также внутри гексамера находится минорная субъединица ε, связанная с γ. Последняя (девятая) субъединица обозначается символом δ и расположена на внешней стороне F1.

Мембранная часть АТФ-синтетазы, называемая фактором сопряжения FO, представляет собой гидрофобный белковый комплекс, пронизывающий мембрану насквозь и имеющий внутри себя два полуканала для прохождения протонов водорода (ядер протия). Всего в состав комплекса FO входит одна белковая субъединица типа а, две копии субъединицы b, а также от 9 до 12 копий мелкой субъединицы c. Субъединица а (молекулярная масса 20 кДа) полностью погружена в мембрану, где образует шесть пересекающих её α-спиральных участков. Субъединица b (молекулярная масса 30 кДа) содержит лишь один сравнительно короткий погружённый в мембрану α-спиральный участок, а остальная её часть заметно выступает из мембраны в сторону F1 и закрепляется за расположенную на её поверхности субъединицу δ. Каждая из 9-12 копий субъединицы c (молекулярная масса 6-11 кДа) представляет собой сравнительно небольшой белок из двух гидрофобных α-спиралей, соединённых друг с другом короткой гидрофильной петлёй, ориентированной в сторону F1, а все вместе образуют единый ансамбль, имеющий форму погружённого в мембрану цилиндра. Выступающая из комплекса F1 в сторону FO субъединица γ как раз и погружена внутрь этого цилиндра и достаточно прочно зацеплена за него.

Номенклатура фермента имеет традиционное происхождение, поэтому довольно непоследовательна.

Обозначение компонента F1 является сокращением от «Fraction 1» (часть 1), а символом FO (в индексе записана буква O, а не ноль) обозначался участок связывания олигомицина.

Некоторые субъединицы фермента имеют также буквенные обозначения:

  • Греческие: α, β, γ, δ, ε
  • Латинские: a, b, c, d, e, f, g, h

Другие — более сложные обозначения:

  • F6 (от «Fraction 6»)
  • OSCP — белок, чувствительный к олигомицину (от англ. the oligomycin sensitivity conferral protein),
  • A6L (названный так по названию гена, кодирующего его в митохондриальном геноме)
  • IF1 (фактор ингибирования 1),

Компонент F1 достаточно велик (диаметр его составляет 9 нм), чтобы быть видимым в трансмиссионный электронный микроскоп при негативном окрашивании.

Частичками F1 усеяна внутренняя митохондриальная мембрана. Изначально считалось, что они содержат весь дыхательный аппарат митохондрии. Однако после долгих экспериментов группа Эфраима Рекера (впервые выделившая компонент F1 в 1961) показала, что эти частички связаны с АТФазной активностью в том числе и в разделённых митохондриях, и в субмитохондриальных частицах, формирующихся при ультразвуковом воздействии на митохондрии. Множество дальнейших исследований в разных лабораториях подтвердили эту АТФазную активность.

Конформационные изменения АТФ-синтазы в ходе синтеза

Структура и функции

Митохондриальная АТФ-синтаза крупного рогатого скота. Области F O , F 1 , оси и статора имеют цветовую кодировку пурпурного, зеленого, оранжевого и голубого цветов соответственно.

Упрощенная модель F O F 1 -АТФазы, называемой АТФ-синтазой E. coli . Соответственно помечены субъединицы фермента.

Двигатель вращения АТФ-синтазы.

Расположенная внутри тилакоидной мембраны и внутренней митохондриальной мембраны , АТФ-синтаза состоит из двух областей F O и F 1 . F O вызывает вращение F 1 и состоит из c-кольца и субъединиц a, two b, F6. F 1 состоит из субъединиц α, β, γ, δ. F 1 имеет водорастворимую часть, которая может гидролизовать АТФ. F O, с другой стороны, имеет в основном гидрофобные области. F O F 1 создает путь для движения протонов через мембрану.

F 1 регион

Часть F 1 АТФ-синтазы является гидрофильной и отвечает за гидролиз АТФ. Единица F 1 выступает в пространство митохондриального матрикса. Субъединицы α и β образуют гексамер с 6 сайтами связывания. Три из них каталитически неактивны и связывают АДФ.

Остальные три субъединицы катализируют синтез АТФ. Остальные субъединицы F 1 γ, δ, ε являются частью механизма вращения двигателя (ротор / ось). Субъединица γ позволяет β проходить через конформационные изменения (т.е. закрытое, полуоткрытое и открытое состояния), которые позволяют АТФ связываться и высвобождаться после синтеза. Частица F 1 крупная, и ее можно увидеть в просвечивающем электронном микроскопе при отрицательном окрашивании. Это частицы диаметром 9 нм, пронизывающие внутреннюю митохондриальную мембрану.

F 1 — субъединицы
Подразделение Человеческий ген Запись
альфа ATP5A1 , ATPAF2
бета ATP5B , ATPAF1 , C16orf7
гамма ATP5C1
дельта ATP5D Митохондриальная «дельта» — это бактериальный / хлоропластический эпсилон.
эпсилон ATP5E Уникально для митохондрий.
OSCP ATP5O Называется «дельта» в бактериальной и хлоропластической версиях.

F O регион

F O субъединица F6 из периферического стебля АТФ-синтазы.

F O представляет собой нерастворимый в воде белок с восемью субъединицами и трансмембранным кольцом. Кольцо имеет форму тетрамера с белком спиральной петли, который претерпевает конформационные изменения при протонировании и депротонировании, подталкивая соседние субъединицы к вращению, вызывая вращение F O, которое затем также влияет на конформацию F 1 , что приводит к переключению состояний альфа и бета-субъединицы. Область FO АТФ-синтазы представляет собой протонную пору, встроенную в митохондриальную мембрану. Он состоит из трех основных субъединиц: a, b и c. Шесть субъединиц c образуют кольцо ротора, а субъединица b образует стержень, соединяющийся с F 1 OSCP, который предотвращает вращение гексамера αβ. Субъединица a соединяет b с кольцом c. У людей есть шесть дополнительных субъединиц: d , e , f , g , F6 и (или A6L). Эта часть фермента расположена на внутренней мембране митохондрий и связывает транслокацию протонов с вращением, которое вызывает синтез АТФ в области F 1 .

У эукариот митохондриальный FO образует димеры, изгибающие член. Эти димеры самоорганизуются в длинные ряды на концах крист , возможно, это первая стадия образования крист. Атомная модель димерной области дрожжевого F O была определена с помощью крио-ЭМ с общим разрешением 3,6 Å.

F O -Основные субъединицы
Подразделение Человеческий ген
а МТ-АТФ6 , МТ-АТФ8
б ATP5F1
c ATP5G1 , ATP5G2 , ATP5G3

АТФ-синтаза у разных организмов[править | править код]

Расположение АТФ-синтазы в митохондрии

АТФ-синтаза растенийправить | править код

У растений АТФ-синтаза CF1FO присутствует в хлоропластах. Она встроена в мембрану тилакоида, причём компонент CF1 выступает в строму, где протекают темновые реакции фотосинтеза (также называемые светонезависимыми реакциями цикла Кальвина). Структура и механизм катализа АТФ-синтазы хлоропластов почти такая же, как и в митохондриях. Однако электрохимический потенциал у хлоропластов формируется не дыхательной электрон-транспортной цепочкой, а другими комплексами — фотосистемой II и цитохромным комплексом b6/f.

Синтез АТФ в организме

АТФ чаще всего производится в митохондрии, в основном в результате расщепления глюкозы и жирных кислот в процессе, называемом окислительным фосфорилированием; разложение 1 молекулы глюкозы в митохондрии высвобождает 36 молекул АТФ. Также АТФ синтезируется в хлоропластах, при фотосинтезе в процессе фотосинтетического фосфорилирования.

Использование АТФ в клетке

АТФ не может храниться в качестве резерва, поэтому он расходуется после его синтеза путем дефосфорилирования с помощью фермента АТФазы. Две конечные фосфорные группы связаны богатыми энергией ковалентными связями. Когда эти связи разрушаются, высвобождается относительно большое количество энергии. Если от АТФ освободить один конец ФГ, то образуется аденозин дифосфат (АДФ), освободить другой — получится аденозинмонофосфат (АМФ).

Фосфорная группа, высвобождаемая из АТФ или АДФ, богата энергией и, связываясь с соединением, обогащает ее энергией (процесс, называемый фосфорилированием). Таким образом, энергия от АТФ используется в процессах анаболизма.

АТФ создается в качестве основного энергетического продукта процесса разложения пищевых ингредиентов в процессе окисления. Часть энергии, выделяемой в этих процессах, сохраняется в форме АТФ, а остальная часть используется в форме тепла. Полученный таким образом АТФ используется для взаимодействия со всеми типами клеток. Только около 1/3 АТФ расходуется на реакции анаболизма. Остальная энергия расходуется на движение, сокращение мышц, транспортировку вещества через клеточную мембрану и т. д.

Фосфорилирование, регенерация АТФ.

Восстановление (синтез) АТФ реализуется путем связывания ФГ сначала с АМФ, что приводит к АДФ, а затем из АТФ под контролем фермента АТФ-синтазы. Это возможно благодаря тепловым реакциям, в которых энергоемкие (анаболические) реакции связаны с энерговыделительными (катаболическими) реакциями. Энергия, выделяемая при катаболизме, используется для повторного синтеза АТФ из АДФ. Следовательно, система АТФ / АДФ служит универсальным способом обмена энергией, который балансирует между выделяемыми и потребляющими энергию реакциями.

Функциональные характеристики АТФ.

Химическая связь, представляющая собой сумму сил, которые удерживают вместе атомы в молекуле, является стабильной конфигурацией, и для разрыва старой связи и образования новой требуется энергия. Ферменты значительно снижают потребность в активации большого количества энергии, но для того, чтобы химические реакции происходили в живых организмах, необходимо, чтобы энергия связи в продуктах реакции всегда была меньше энергии связи реагентов.

Энергия, выделяемая при удалении фосфатных групп, не только возникает из высокоэнергетических связей, но также является результатом перераспределения орбит в молекулах АТФ или АДФ. Каждая фосфатная группа несет отрицательный заряд и поэтому имеет тенденцию отталкиваться от другой такой группы. Когда фосфатная группа удаляется, происходит изменение конфигурации электронов, в результате чего получается структура с меньшей энергией.

В живых системах АТФ также гидролизуется до АДФ. Гидролиз АТФ является, например, быстрым способом выработки тепла у животных, которые просыпаются от зимней спячки. Однако обычно конечный продукт не просто удаляется, а переносится через фермент (киназу) в другую молекулу (фосфорилирование). Эта реакция также передает часть энергии от высокоэнергетической связи фосфорилированному соединению, которое, таким образом, обогащается энергией при реакции.

Энергия, выделяемая в реакциях клеточного метаболизма, таких как расщепление глюкозы, используется для повторного синтеза АТФ из молекул АДФ. Основными механизмами синтеза АТФ в клетке являются окислительное фосфорилирование в процессе клеточного дыхания (на внутренней стороне митохондриальной мембраны) и фосфорилирование в процессе фотосинтеза.

Регулирование

Аллостерическая активация CBS с помощью adoMet определяет метаболическую судьбу гомоцистеина . CBS млекопитающих активируется в 2,5-5 раз с помощью AdoMet с константой диссоциации 15 мкМ. AdoMet представляет собой аллостерический активатор, который увеличивает V max реакции CBS, но не влияет на K m субстратов. Другими словами, AdoMet стимулирует активность CBS, увеличивая скорость оборота, а не связывание субстратов с ферментом. Этот белок может использовать морфеиновую модель аллостерической регуляции .

CBS человека выполняет решающий шаг в , обеспечивая точку регулятивного контроля для AdoMet. Гомоцистеин после метилирования в метионин может быть преобразован в AdoMet, который отдает метильные группы различным субстратам, например нейротрансмиттерам , белкам и нуклеиновым кислотам . AdoMet действует как аллостерический активатор CBS и контролирует его биосинтез: низкие концентрации AdoMet приводят к низкой активности CBS, тем самым направляя гомоцистеин в цикл трансметилирования в направлении образования AdoMet. Напротив, высокие концентрации adoMet направляют гомоцистеин в путь транссульфурации к .

У млекопитающих CBS — это строго регулируемый фермент, который содержит кофактор гема, который функционирует как окислительно-восстановительный датчик, который может модулировать его активность в ответ на изменения окислительно-восстановительного потенциала. Если покоящаяся форма CBS в клетке содержит гем двухвалентного железа (Fe 2+ ), существует потенциал для активации фермента в окислительных условиях путем преобразования в состояние трехвалентного железа (Fe 3+ ). Форма фермента Fe 2+ ингибируется при связывании CO или оксида азота, тогда как активность фермента удваивается, когда Fe 2+ окисляется до Fe 3+ . Окислительно-восстановительное состояние гема зависит от pH, при этом окисление Fe 2+ –CBS до Fe 3+ –CBS предпочтительнее в условиях низкого pH.

Поскольку CBS млекопитающих содержит кофактор гема, тогда как дрожжевые и простейшие ферменты из Trypanosoma cruzi не имеют кофакторов гема, исследователи предположили, что гем не требуется для активности CBS.

CBS регулируется на уровне транскрипции NF-Y , SP-1 и SP-3 . Кроме того, он активируется транскрипционно глюкокортикоидами и гликогеном и подавляется инсулином . Метионин активирует CBS на посттранскрипционном уровне.

Функция

Следующая реакция катализируется тимидилатсинтазой:

5,10-метилентетрагидрофолат + dUMP дигидрофолат + dTMP⇌{\ displaystyle \ rightleftharpoons}

С помощью восстановительного метилирования , дезоксиуридинмонофосфат (дУМФа) и N5, N10-метилен тетрагидрофолат совместно используются для формирования DTMP, получая дигидрофолат в качестве вторичного продукта.

Это обеспечивает единственный de novo путь производства dTMP и единственный фермент в метаболизме фолиевой кислоты, в котором 5,10-метилентетрагидрофолат окисляется во время одноуглеродного переноса. Фермент необходим для регулирования сбалансированного поступления 4-х предшественников ДНК при нормальной репликации ДНК: дефекты активности фермента, влияющие на процесс регуляции, вызывают различные биологические и генетические аномалии, такие как смерть без тимина

Фермент является важной мишенью для некоторых химиотерапевтических препаратов. Тимидилатсинтазы представляет собой фермент , приблизительно от 30 до 35 к Da у большинства видов , за исключением простейших и растений , где она существует как бифункциональный фермент , который включает в себя домен дигидрофолатредуктазы редуктазы

Остаток цистеина участвует в каталитическом механизме (он ковалентно связывает промежуточное соединение 5,6-дигидро-dUMP). Последовательность вокруг активного сайта этого фермента сохраняется от фагов до позвоночных.

Тимидилатсинтазы индуцируются фактор транскрипции LSF / TFCP2 и LSF является онкогеном в гепатоцеллюлярной карциноме . LSF и тимидилатсинтаза играют важную роль в пролиферации и прогрессировании рака печени и устойчивости к лекарствам.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий