Mekanisme sintesis ATP dalam sel. Mekanisme kerja atp-sintetase. Peran mineral dalam nutrisi manusia

Sintesis ATP terjadi di sitoplasma, terutama di mitokondria, itulah sebabnya mereka disebut "pembangkit tenaga" sel.

Dalam sel manusia, banyak hewan, dan beberapa mikroorganisme, glukosa adalah pemasok energi utama untuk sintesis ATP. Pemecahan glukosa dalam sel, yang menghasilkan sintesis ATP, dilakukan dalam dua tahap berturut-turut. Tahap pertama disebut glikolisis atau pemisahan anoksik . Tahap kedua disebut pemisahan oksigen .

glikolisis

Sebagai ilustrasi (bukan untuk menghafal), berikut adalah persamaan akhirnya:

Dapat dilihat dari persamaan bahwa oksigen tidak berpartisipasi dalam proses glikolisis (oleh karena itu, tahap ini disebut pemecahan bebas oksigen). Pada saat yang sama, ADP dan asam fosfat adalah peserta wajib dalam glikolisis. Kedua zat ini selalu ada, karena mereka terus-menerus terbentuk sebagai hasil dari aktivitas vital sel. Selama glikolisis, molekul glukosa dipecah dan 2 molekul ATP disintesis.

Persamaan terakhir tidak memberikan gambaran tentang mekanisme proses. Glikolisis adalah proses multi-tahap yang kompleks. Ini adalah kompleks (atau, lebih baik untuk mengatakan, pipa) dari beberapa reaksi yang mengikuti satu demi satu. Setiap reaksi dikatalisis oleh enzim tertentu. Sebagai hasil dari setiap reaksi, perubahan kecil pada zat terjadi, tetapi sebagai hasilnya, perubahannya signifikan: 2 molekul asam organik 3-karbon terbentuk dari molekul glukosa 6-karbon. Sebagai hasil dari setiap reaksi, sejumlah kecil energi dilepaskan, dan secara total diperoleh nilai yang mengesankan - 200 kJ / mol. Sebagian dari energi ini (60%) dikeluarkan sebagai panas, dan sebagian (40%) disimpan dalam bentuk ATP.

Proses glikolisis terjadi di semua sel hewan dan di sel beberapa mikroorganisme. Fermentasi asam laktat yang terkenal (selama pengasaman susu, pembentukan yogurt, krim asam, kefir) disebabkan oleh jamur dan bakteri asam laktat. Mekanisme proses ini identik dengan glikolisis.

Pemisahan oksigen

Setelah glikolisis selesai, tahap kedua berikut - pemisahan oksigen.

Proses oksigen melibatkan enzim, air, zat pengoksidasi, pembawa elektron, dan oksigen molekuler. Kondisi utama untuk proses normal oksigen adalah membran mitokondria yang utuh.

Produk akhir glikolisis - asam organik tiga karbon - menembus ke dalam mitokondria, di mana, di bawah pengaruh enzim, ia bereaksi dengan air dan dihancurkan sepenuhnya:

C 3 H 6 O 3 + 3H 2 O → ZSO 2 + 12H

Karbon monoksida (IV) yang dihasilkan dengan bebas melewati membran mitokondria dan dibuang ke lingkungan. Atom hidrogen ditransfer ke membran, di mana, di bawah pengaruh enzim, mereka teroksidasi, yaitu, mereka kehilangan elektron:

H 0 - → H +

Elektron dan kation hidrogen H + (proton) diambil oleh molekul pembawa dan diangkut dalam arah yang berlawanan: elektron ke sisi dalam membran, di mana mereka bergabung dengan oksigen (molekul oksigen terus menerus memasuki mitokondria dari lingkungan):

O2 + → O2

Kation H+ diangkut ke sisi luar membran. Akibatnya, konsentrasi anion O 2 - meningkat di dalam mitokondria, yaitu partikel yang membawa muatan negatif. Partikel bermuatan positif (H +) menumpuk di bagian luar membran, karena membran tidak dapat ditembus oleh mereka. Jadi, membran bermuatan positif dari luar, dan negatif dari dalam. Ketika konsentrasi partikel bermuatan berlawanan meningkat di kedua sisi membran, perbedaan potensial di antara mereka meningkat - Gambar 80.

Telah ditetapkan bahwa di beberapa bagian membran, molekul-molekul enzim yang mensintesis ATP tertanam di dalamnya. Molekul enzim memiliki saluran yang dapat dilalui kation H+. Hal ini terjadi, bagaimanapun, jika perbedaan potensial melintasi membran mencapai tingkat kritis tertentu dari orde (200 mV). Ketika nilai ini dicapai oleh gaya medan listrik, partikel bermuatan positif didorong melalui saluran dalam molekul enzim, melewati bagian dalam membran dan, berinteraksi dengan oksigen, membentuk air:

4H + + 2O 2 - → 2H 2 O + O 2

Ketika elektron berpindah dari atom hidrogen (H) ke oksigen (O 2) dan kation H + melalui saluran enzim sintesis ATP, energi yang signifikan dilepaskan, 45% di antaranya hilang dalam bentuk panas, dan 55% dilepaskan. disimpan, yaitu diubah menjadi energi ikatan kimia ATP.

Persamaan terakhir mencerminkan sisi kuantitatif sintesis ATP sebagai hasil pemecahan oksigen dari 2 molekul asam organik.

2C 3 H 6 O 3 + 6O 2 + 36ADP + Z6H 3 RO 4 → 36ATP + 6CO 2 + 42H 2 O

Menjumlahkan persamaan ini dengan persamaan glikolisis, kita mendapatkan:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 38ADP + 38H 3 RO 4 → 38ATP + 6CO 2 + 44H 2 O

Persamaan ini menunjukkan jumlah ATP yang disintesis sebagai hasil dari pemecahan molekul glukosa secara lengkap, yaitu anoksik dan oksigen.

Bagian ini memungkinkan kita untuk menarik kesimpulan berikut:

1. Sintesis ATP dalam proses bebas oksigen tidak memerlukan adanya membran. Jika semua enzim glikolisis dan substrat yang diperlukan, yaitu glukosa, ADP dan asam fosfat, ada, sintesis ATP juga terjadi dalam tabung reaksi. Dalam kasus proses oksigen kondisi yang diperlukan implementasinya adalah adanya membran yang mampu memisahkan partikel yang bermuatan berlawanan, sehingga terjadi beda potensial.

2. Pembelahan dalam sel 1 molekul glukosa menjadi karbon monoksida (IV) dan air memastikan sintesis 38 molekul ATP. Dari jumlah tersebut, 2 molekul disintesis ke tahap bebas oksigen, dan 36 - ke tahap oksigen. Oleh karena itu, proses oksigen hampir 20 kali lebih efisien daripada yang bebas oksigen.

4. Pemecahan zat organik yang terjadi di dalam sel sering dibandingkan dengan pembakaran: dalam kedua kasus, oksigen diserap dan produk oksidasi, karbon monoksida (IV) dan air, dilepaskan. Namun, ketika bahan organik dibakar, semua energi yang dilepaskan diubah menjadi panas, ketika glukosa dioksidasi di dalam sel, sekitar 45% dari energi yang dilepaskan diubah menjadi panas, dan 55% disimpan dalam bentuk ATP.

Atom hidrogen dikeluarkan dari substrat dalam siklus Krebs, sebagai hasilnya β -oksidasi HFA, serta piruvat dehidrogenase, glutamat dehidrogenase dan beberapa reaksi lainnya, memasuki rantai enzim pernapasan (Gbr. 23), yang disebut juga rantai transpor elektron .

Proses transfer proton dan elektron (atom hidrogen = proton hidrogen (H+) + elektron (e)) dimulai dengan transfer atom hidrogen dari bentuk tereduksi NAD atau FAD.

Beras. 23. Skema rantai transpor elektron

NAD tereduksi mendonorkan hidrogen ke flavoprotein yang koenzimnya adalah FMN, sedangkan FAD tereduksi selalu mendonorkan hidrogen ke koenzim Q. Setelah koenzim Q hanya elektron yang diangkut melalui sistem sitokrom; peran akhir - terminal - akseptor elektron dilakukan oleh oksigen. Sebelum kita mempelajari operasi rantai transpor elektron secara lebih rinci, mari kita berkenalan dengan struktur kimia masing-masing komponennya.

Seperti disebutkan sebelumnya, semua komponen rantai transpor elektron adalah enzim yang mengkatalisis proses redoks.

Flavoprotein adalah enzim pertama yang menerima proton dan elektron dari dehidrogenase primer, enzim yang menghilangkan atom hidrogen langsung dari substrat. Koenzim flavoprotein adalah FMN. Dengan struktur dan reaksi redoks FMN, kita bertemu sebelumnya (lihat Bab 4). Enzim ini terkait erat dengan protein besi-sulfur.

Protein besi-sulfur memiliki berat molekul kecil (sekitar 10 kDa). Mereka mengandung besi non-heme yang terikat pada atom sulfur dari residu sistein. pada gambar. 24 menunjukkan hanya satu dari pilihan kompleks atom besi dengan atom sulfur yang ada pada protein yang mengandung besi non-heme.

Beras. 24. Skema pembentukan kompleks atom besi dengan atom sulfur dalam protein besi-sulfur

Protein ini terlibat dalam transfer proton dan elektron dan dianggap terlibat dalam beberapa langkah. Namun, mekanisme protein besi-sulfur mengalami oksidasi-reduksi reversibel masih belum jelas.

koenzim Q atau ubiquinone dilarutkan dalam bagian lipid dari membran mitokondria bagian dalam. Ubiquinone dapat berdifusi melintasi dan di sepanjang membran. Ini adalah satu-satunya komponen rantai pernapasan yang tidak terikat protein; untuk alasan ini, itu tidak dapat diklasifikasikan sebagai enzim. koenzim Q menerima dua proton hidrogen dan dua elektron dari protein besi-sulfur, berubah menjadi hidrokuinon:

Sitokrom adalah hemoprotein. Saat ini, sekitar 30 sitokrom berbeda telah diketahui. Semuanya, tergantung pada kemampuannya menyerap cahaya, dibagi menjadi beberapa kelas, dilambangkan dengan huruf kecil - a, b, c dll. Di setiap kelas, jenis sitokrom yang terpisah dibedakan, menunjuknya dengan indeks digital - b, b 1 , b 2 dll.

Sitokrom berbeda satu sama lain dalam struktur tema, struktur rantai polipeptida dan cara tema melekat padanya. Gambar 25 menunjukkan struktur topik, yang merupakan bagian dari semua sitokrom b.

Sitokrom diwarnai merah-coklat; Warna ini disebabkan oleh adanya kation logam. Kelas sitokrom b dan Dengan mengandung kation besi dalam komposisinya, dan sitokrom kelas sebuah - kation tembaga.

Sitokrom sebuah dan sebuah 3 membentuk kompleks yang disebut sitokrom oksidase. Fitur unik dari kompleks A A 3 adalah bahwa sistem sitokrom ini menyumbangkan elektron langsung ke oksigen.

Transfer elektron sepanjang rantai sitokrom termasuk reaksi reversibel:

Fe 3+ + e ----→ ---- Fe 2+ dan Cu 2+ + e ----→ ---- Cu +

Setelah berkenalan dengan karakteristik komponen rantai transpor elektron dan dengan reaksi redoks yang terjadi di dalamnya, mari beralih ke pertimbangan proses, yang merupakan proses utama dalam akumulasi energi dalam bentuk ATP.

Beras. 25. Tema struktur sitokrom b

Mekanisme konjugasi respirasi dengan fosforilasi ADP. Transpor proton dan elektron dari NAD+ tereduksi ke molekul oksigen adalah proses eksergonik:

NADH + H + + O 2 → OVER + + H 2 O + energi

Jika kita menyederhanakan pencatatan proses ini lebih lanjut, maka kita mendapatkan persamaan untuk reaksi pembakaran hidrogen dalam oksigen, yang diketahui semua orang di sekolah:

H 2 + O 2 → H 2 O + energi

Satu-satunya perbedaan adalah bahwa selama reaksi pembakaran, energi segera dilepaskan sepenuhnya, dan dalam rantai pernapasan, karena dibagi menjadi beberapa reaksi redoks, pelepasan energi secara bertahap terjadi. Energi ini disimpan dalam ikatan fosfat ATP dan digunakan untuk kehidupan sel.

Hasil pertama dari operasi rantai transpor elektron adalah pembentukan air endogen, dalam molekul di mana atom hidrogen adalah hidrogen yang dikeluarkan dari substrat oleh dehidrogenase yang sesuai, dan atom oksigen adalah akseptor elektron terminal (lihat Gambar. 23). Setelah mengambil 2 elektron, ia berubah menjadi anion reaktif (O 2-), yang segera berinteraksi dengan proton hidrogen yang "dikeluarkan" oleh koenzim Q. Pembentukan air endogen terjadi di matriks mitokondria.

Mekanisme konjugasi respirasi dengan fosforilasi ADP dikembangkan oleh ahli biokimia Inggris P. Mitchell, yang hipotesisnya disebut motif-proton atau kemiosmotik. Di negara kita, hipotesis P. Mitchell dikembangkan dalam karya-karya V.P. Skulachev.

Berdasarkan hipotesis kemiosmotik energi proton dan transfer elektron sepanjang rantai pernapasan awalnya terkonsentrasi dalam bentuk potensial proton yang diciptakan oleh pergerakan proton hidrogen bermuatan melintasi membran. Pengangkutan proton kembali melintasi membran dikaitkan dengan fosforilasi ADP, yang dilakukan oleh ATP sintase (H + = ATPase) yang bergantung pada proton.

Karena penggerak Sintesis ATP adalah potensial proton, mari kita lihat lebih dekat pembentukannya.

Seiring dengan transfer proton dan elektron di sepanjang rantai pernapasan, terjadi pelepasan tambahan proton hidrogen dari matriks ke ruang antarmembran. Proton hidrogen muncul selama disosiasi air dalam matriks:

H 2 O -→ - H + + OH -

Pengangkutan proton hidrogen melintasi membran mitokondria bagian dalam diperkirakan dilakukan oleh translokase proton. Sebagai hasil dari transfer ini, membran bermuatan negatif dari sisi matriks (karena sisa hidroksil bermuatan negatif), dan bermuatan positif dari sisi ruang antarmembran (karena transfer proton hidrogen bermuatan positif). Akibat distribusi muatan ini, timbul potensial listrik, dilambangkan (delta psi). Dan karena perbedaan konsentrasi proton hidrogen di kedua sisi membran bagian dalam mitokondria, gradien kimia proton, dilambangkan ApH, dibuat. Kedua potensi yang muncul menciptakan gradien elektrokimia transmembran proton (ΔμН +) pada membran, oleh karena itu + = +

Sintesis ATP. Membran di mana gradien transmembran elektrokimia proton dibuat disebut berenergi . Membran yang diberi energi cenderung melepaskan diri dengan memompa proton dari ruang antarmembran kembali ke dalam matriks (Gbr. 26). Proses ini dilakukan dengan bantuan ATPase yang bergantung pada proton.

Beras. 26. Sintesis ATP digabungkan dengan rantai transpor elektron

H + -ATPase dibangun ke dalam membran dalam mitokondria. Itu terlihat seperti jamur dan terdiri dari dua faktor protein F 0 dan F 1 (Gbr. 27). Faktor F0 menembus seluruh ketebalan membran mitokondria bagian dalam. Bagian bola yang menonjol ke dalam matriks mitokondria adalah faktor F 1. Struktur, sifat dan fungsi faktor protein ini sangat berbeda.

Faktor F 0 terdiri dari tiga rantai polipeptida hidrofobik dengan struktur yang berbeda. Faktor ini menjalankan fungsi saluran penghantar proton melalui mana proton hidrogen sampai ke faktor F 1 .

Faktor F 1 adalah bagian yang larut dalam air dari H + -ATPase dan merupakan kompleks protein yang terdiri dari sembilan subunit dari lima jenis yang berbeda. Satu epimolekul faktor F 1 mengandung 3 α , 3β dan satu subunit γ , δ , ε (3 3 γδε ). Faktor F 1 melakukan sintesis ATP dari ADP dan asam fosfat. Situs pengikatan ADP dan ATP terletak di subunit α dan β yang masing-masing dapat menampung satu molekul ADP atau ATP. Menurut analisis difraksi sinar-X, situs pengikatan ADP dan ATP terletak di persimpangan subunit α dan β . Subunit β melakukan fungsi katalitik dalam sintesis ATP (Gbr. 27).

Beras. 27. Struktur ATPase yang bergantung pada proton

Ada beberapa konsep yang menjelaskan mekanisme pembentukan ATP melalui H+-ATPase. Semua konsep menganggap proton hidrogen yang masuk melalui saluran penghantar proton ke faktor F 1 sebagai penggerak berbagai proses yang mengarah pada pembentukan ATP dari ADP dan asam fosfat.

Adenosin trifosfat asam-ATP- komponen energi wajib dari setiap sel hidup. ATP juga merupakan nukleotida yang terdiri dari basa nitrogen adenin, gula ribosa, dan tiga residu molekul asam fosfat. Ini adalah struktur yang tidak stabil. Dalam proses metabolisme, residu asam fosfat secara berurutan dipisahkan darinya dengan memutus ikatan yang kaya energi, tetapi rapuh antara residu asam fosfat kedua dan ketiga. Pelepasan satu molekul asam fosfat disertai dengan pelepasan energi sekitar 40 kJ. Dalam hal ini, ATP masuk ke asam adenosin difosfat (ADP), dan dengan pembelahan lebih lanjut dari residu asam fosfat dari ADP, asam adenosin monofosfat (AMP) terbentuk.

Diagram skematis struktur ATP dan transformasinya menjadi ADP ( T.A. Kozlova, V.S. Kuchmenko. Biologi dalam tabel. M., 2000 )

Akibatnya, ATP adalah semacam akumulator energi di dalam sel, yang "dihabiskan" ketika dibelah. Pemecahan ATP terjadi selama reaksi sintesis protein, lemak, karbohidrat, dan fungsi vital sel lainnya. Reaksi-reaksi ini berjalan dengan penyerapan energi, yang diekstraksi selama pemecahan zat.

ATP disintesis mitokondria dalam beberapa tahap. Yang pertama adalah persiapan - berlangsung bertahap, dengan keterlibatan enzim spesifik pada setiap langkah. Dalam hal ini, senyawa organik kompleks dipecah menjadi monomer: protein - menjadi asam amino, karbohidrat - menjadi glukosa, asam nukleat - menjadi nukleotida, dll. Pemutusan ikatan dalam zat ini disertai dengan pelepasan sejumlah kecil energi. Monomer yang dihasilkan di bawah aksi enzim lain dapat mengalami dekomposisi lebih lanjut dengan pembentukan zat yang lebih sederhana hingga karbon dioksida dan air.

Skema Sintesis ATP di mitokondria sel

PENJELASAN SKEMA KONVERSI ZAT DAN ENERGI PADA PROSES DISIMILASI

Tahap I - persiapan: kompleks bahan organik Di bawah pengaruh enzim pencernaan terurai menjadi yang sederhana, dan hanya energi panas yang dilepaskan.
Protein -> asam amino
lemak- > gliserin dan asam lemak
Pati -> glukosa

Tahap II - glikolisis (bebas oksigen): dilakukan di hyaloplasma, tidak terkait dengan membran; itu melibatkan enzim; glukosa dipecah:

Dalam jamur ragi, molekul glukosa, tanpa partisipasi oksigen, diubah menjadi etil alkohol dan karbon dioksida (fermentasi alkohol):

Pada mikroorganisme lain, glikolisis dapat diselesaikan dengan pembentukan aseton, asam asetat, dll. Dalam semua kasus, pemecahan satu molekul glukosa disertai dengan pembentukan dua molekul ATP. Selama pemecahan glukosa bebas oksigen dalam bentuk ikatan kimia, 40% dari energi dipertahankan dalam molekul ATP, dan sisanya dihamburkan dalam bentuk panas.

Tahap III - hidrolisis (oksigen): dilakukan di mitokondria, terkait dengan matriks mitokondria dan membran bagian dalam, enzim berpartisipasi di dalamnya, asam laktat mengalami pembelahan: CsH6Oz + ZH20 --> 3CO2 + 12H. CO2 (karbon dioksida) dilepaskan dari mitokondria ke lingkungan. Atom hidrogen termasuk dalam rantai reaksi, hasil akhirnya adalah sintesis ATP. Reaksi-reaksi ini berjalan dalam urutan berikut:

1. Atom hidrogen H, dengan bantuan enzim pembawa, memasuki membran bagian dalam mitokondria, yang membentuk krista, di mana ia dioksidasi: H-e--> H+

2. Proton hidrogen H+(kation) yang dibawa oleh pembawa ke permukaan luar membran kristal. Untuk proton, membran ini bersifat impermeabel, sehingga terakumulasi dalam ruang antarmembran, membentuk reservoir proton.

3. Elektron hidrogen e ditransfer ke permukaan bagian dalam membran krista dan segera menempel pada oksigen dengan bantuan enzim oksidase, membentuk oksigen aktif bermuatan negatif (anion): O2 + e--> O2-

4. Kation dan anion di kedua sisi membran menciptakan medan listrik yang bermuatan berlawanan, dan ketika beda potensial mencapai 200 mV, saluran proton mulai beroperasi. Ini terjadi pada molekul enzim ATP sintetase, yang tertanam di membran bagian dalam yang membentuk krista.

5. Proton hidrogen melalui saluran proton H+ terburu-buru di dalam mitokondria, menciptakan tingkat energi yang tinggi, yang sebagian besar digunakan untuk sintesis ATP dari ADP dan P (ADP + P -\u003e ATP), dan proton H+ berinteraksi dengan oksigen aktif, membentuk air dan molekul 02:
(4Н++202- -->2Н20+02)

Jadi, O2, yang memasuki mitokondria selama respirasi organisme, diperlukan untuk penambahan proton hidrogen H. Jika tidak ada, seluruh proses di mitokondria berhenti, karena rantai transpor elektron berhenti berfungsi. Reaksi umum tahap III:

(2CsHbOz + 6Oz + 36ADP + 36F ---> 6C02 + 36ATP + + 42H20)

Sebagai hasil pemecahan satu molekul glukosa, 38 molekul ATP terbentuk: pada tahap II - 2 ATP dan pada tahap III - 36 ATP. Molekul ATP yang dihasilkan melampaui mitokondria dan berpartisipasi dalam semua proses sel di mana energi dibutuhkan. Pemisahan, ATP mengeluarkan energi (satu ikatan fosfat mengandung 40 kJ) dan kembali ke mitokondria dalam bentuk ADP dan F (fosfat).

ADP + PO 4 3- + E ATP

ATP digunakan oleh sel sebagai sumber energi dalam banyak proses seluler. Reaksi yang sama dapat berlangsung dalam arah yang berlawanan, ketika ATP dipecah pada protein katalis khusus kembali menjadi ADP dan fosfat dengan pelepasan energi.

ATP sintase terdiri dari dua mekanisme. Yang pertama, F0, adalah motor listrik yang terletak di membran sel dan mengubah energi yang tersimpan dalam beda potensial di sisi berlawanan dari membran sel. Membran lipid berfungsi sebagai isolator dalam "baterai" elektrokimia ini: ion tidak melewatinya. Perbedaan potensial diciptakan oleh mekanisme kompleks lainnya, pada akhirnya dari "pembakaran" gula dalam oksigen. Ion hidrogen H+ ditarik ke dalam "intake manifold" dan melekat pada lobulus protein rotor. Rotor berputar karena gaya elektrostatik, dan lobulus, yang telah mencapai "exhaust manifold" motor, dilepaskan dari ion oleh protein katalitik, dan ion ini jatuh ke dalam sel, sekali lagi karena gaya elektrostatik, berusaha untuk menyamakan potensial di kedua sisi membran. Dengan demikian, listrik pertama-tama diubah menjadi energi mekanik rotasi poros molekul yang melekat pada rotor dan masuk jauh ke dalam sel, ke mekanisme sintesis, F1.

Reaktor mekanik-kimia F1 terdiri dari tiga lobulus protein, yang masing-masing terdiri dari dua molekul protein (mereka disebut -F1 dan -F1, dan poros terbuat dari satu molekul, yang disebut -F1). Setiap irisan dapat mengambil dua konfigurasi spasial yang stabil karena daya tarik interatomik bersama - seperti sakelar dinding konvensional, ternyata berada di dua posisi stabil, meskipun posisi perantara tidak stabil. Namun, salah satu dari posisi ini memiliki energi yang lebih tinggi. Molekul digeser ke konfigurasi energi yang lebih tinggi karena asimetri poros yang berputar, seolah-olah dengan "cam" di atasnya.

Ketika ADP dan ion fosfat ditambahkan ke kompleks , keseimbangan terganggu, dan molekul, seperti pegas dengan energi yang tersimpan, melompat ke keadaan energi yang lebih rendah, dan energi yang tersimpan dihabiskan untuk membawa ADP dan ion fosfat. lebih dekat, sebagai akibatnya mereka bergabung menjadi molekul ATP, akhirnya membawa simpanan energi ini.

Rotasi mekanisme dapat dilihat melalui mikroskop jika molekul batang bercahaya panjang (fluorescent) yang dibuat khusus dipasang pada rotor pada F0. Di akhir film, Anda dapat melihat rekonstruksi pengalaman luar biasa oleh Masasuke Yoshida dan bilah sisi dengan data yang menunjukkan rotasi rotor.

Menariknya, di ujung bawah rotor ada protein lain, -F1, yang juga mampu mengubah konfigurasinya dengan adanya ADP, reagen awal untuk reaksi. Ketika ada sedikit ADP di sekitar reaktor, protein ini berubah bentuk dan menghambat rotor agar tidak membuang energi elektrokimia dengan sia-sia, karena promosi ion H + melalui rotor yang dihentikan tidak mungkin. Ya, dan alam juga "berpikir" untuk menghemat listrik seluler!

Untuk informasi lebih lanjut tentang cara kerja ATP sinase, lihat

ATP sintase terdiri dari dua mekanisme. Yang pertama, F0, adalah motor listrik yang terletak di membran sel dan mengubah energi yang tersimpan dalam beda potensial di sisi berlawanan dari membran sel. Membran lipid berfungsi sebagai isolator dalam "baterai" elektrokimia ini: ion tidak melewatinya. Perbedaan potensial diciptakan oleh mekanisme kompleks lainnya, pada akhirnya dari "pembakaran" gula dalam oksigen. Ion hidrogen H+ ditarik ke dalam "intake manifold" dan melekat pada lobulus protein rotor. Rotor berputar karena gaya elektrostatik, dan lobulus, yang telah mencapai "exhaust manifold" motor, dilepaskan dari ion oleh protein katalitik, dan ion ini jatuh ke dalam sel, sekali lagi karena gaya elektrostatik, berusaha untuk menyamakan potensial di kedua sisi membran. Dengan demikian, listrik pertama-tama diubah menjadi energi mekanik rotasi poros molekul yang melekat pada rotor dan masuk jauh ke dalam sel, ke mekanisme sintesis, F1.
Reaktor mekanik-kimia F1 terdiri dari tiga lobulus protein, yang masing-masing terdiri dari dua molekul protein (mereka disebut -F1 dan -F1, dan poros terbuat dari satu molekul, yang disebut -F1). Setiap irisan dapat mengambil dua konfigurasi spasial yang stabil karena daya tarik interatomik bersama - seperti sakelar dinding konvensional, ternyata berada di dua posisi stabil, meskipun posisi perantara tidak stabil. Namun, salah satu dari posisi ini memiliki energi yang lebih tinggi. Molekul digeser ke konfigurasi energi yang lebih tinggi karena asimetri poros yang berputar, seolah-olah dengan "cam" di atasnya.
Ketika ADP dan ion fosfat ditambahkan ke kompleks , keseimbangan terganggu, dan molekul, seperti pegas dengan energi yang tersimpan, melompat ke keadaan energi yang lebih rendah, dan energi yang tersimpan dihabiskan untuk membawa ADP dan ion fosfat. lebih dekat, sebagai akibatnya mereka bergabung menjadi molekul ATP, akhirnya membawa simpanan energi ini.
Rotasi mekanisme dapat dilihat melalui mikroskop jika molekul batang bercahaya panjang (fluorescent) yang dibuat khusus dipasang pada rotor pada F0. Di akhir film, Anda dapat melihat rekonstruksi pengalaman luar biasa oleh Masasuke Yoshida dan bilah sisi dengan data yang menunjukkan rotasi rotor.
Menariknya, di ujung bawah rotor ada protein lain, -F1, yang juga mampu mengubah konfigurasinya dengan adanya ADP, reagen awal untuk reaksi. Ketika ada sedikit ADP di sekitar reaktor, protein ini berubah bentuk dan menghambat rotor agar tidak membuang energi elektrokimia dengan sia-sia, karena promosi ion H + melalui rotor yang dihentikan tidak mungkin.

2.2. Regulasi aliran ekuivalen pemulihan
Jika dua jalur oksidasi: bebas dan terkonjugasi secara energetik, hidup berdampingan dalam sel yang sama, timbul masalah tentang bagaimana mencegah penggunaan semua ekuivalen pereduksi menurut salah satu yang secara termodinamika lebih menguntungkan. Tanpa ragu, diferensiasi spasial (kompartemenisasi) dari proses metabolisme memainkan peran utama dalam memecahkan masalah ini. Jadi, misalnya, dehidrogenase substrat utama dilokalisasi dalam matriks, sehingga ekuivalen pereduksi yang memberi makan rantai pernapasan terbentuk langsung di dalam mitokondria dan, oleh karena itu, tidak dapat diakses oleh sistem eksternal oksidasi bebas. Selain itu, membran mitokondria bagian dalam mengandung beberapa pembawa yang bergantung pada ACH yang bertanggung jawab atas akumulasi dalam matriks substrat yang dehidrogenasenya hadir tidak hanya di mitokondria, tetapi juga di sitosol. Jika dehidrogenase substrat yang diberikan dilokalisasi secara eksklusif di sitosol, maka mekanisme antar-jemput khusus digunakan yang mentransfer ekuivalen pereduksi dari sitosol ke matriks.
antar-jemput malat-aspartat-glutamat. Kerja sistem ini menghasilkan oksidasi NADH ekstramitokondria melalui matriks NAD+. Proses ini melibatkan dua enzim yang terlokalisasi di kedua sisi membran dalam mitokondria, yaitu malat dehidrogenase dan aspartat: glutaminotransferase. Selain itu, dibutuhkan dua transporter: antiporter asam dikarboksilat dan antiporter glutamat/aspartat. Yang terakhir menggunakan energi AjiH, karena mengkatalisis pertukaran aspartat 2 -/ (glutamat 2_ + H +). Akibatnya, transfer ion hidrida dari NADH+nar ke NAD+ext dikaitkan dengan pergerakan satu ion H+ dari sitosol ke matriks.
Mekanisme antar-jemput lain menggunakan dua dehidrogenase gliserofosfat: sitosol, bergantung pada NAD, dan mitokondria, memulihkan KoQ tanpa partisipasi NAD. Sistem shuttle adalah jaringan spesifik. Misalnya, antar-jemput malat sangat aktif di hati tetapi tidak ada di jantung, di mana mitokondria tidak memiliki antiporter dikarboksilat. Antar-jemput gliserofosfat diaktifkan secara tajam oleh hormon tiroid.
Contoh lain dari pemisahan spasial pertukaran oksidatif dapat peroksisom. Organel-organel ini dikelilingi oleh membran yang permeabilitasnya mirip dengan membran luar mitokondria. Ini kedap protein, tetapi dengan mudah melewati zat dengan berat molekul rendah. Penyerapan oksigen oleh peroksisom adalah karena aksi oksidase urat, D-asam amino oksidase, dan asam -hidroksi oksidase. Peroksisom oksidase tidak bersaing dengan enzim respirasi berpasangan mitokondria, karena substrat oksidase ini dioksidasi tanpa partisipasi NAD(P) dan rantai pernapasan. Produk beracun dari reaksi, hidrogen peroksida, segera didekomposisi di dalam peroksisom oleh katalase, protein paling masif dari organel ini.

3.1. Sintase H+-pirofosfat
Pada tahun 1966, M. Balczewski dan rekan menggambarkan pembentukan pirofosfat anorganik oleh kromatofora Rhodospirillum rubrum dibawah pengaruh cahaya. Kemudian ditemukan bahwa dalam gelap, pirofosfat, seperti ATP, memberi energi pada membran kromatofor. Eksperimen dalam kelompok penulis menunjukkan bahwa hidrolisis pirofosfat menghasilkan Agr pada membran kromatofora, serta proteoliposom yang mengandung pirofosfatase murni. Rh. rubrum. Kemudian R. Nieren dan M. Balczewski melaporkan sintesis ATP karena energi hidrolisis pirofosfat oleh proteoliposom yang mengandung pirofosfatase dan H + -ATP sintase dari Rh. rubrum. Protonofor memblokir proses tersebut. Dalam kromatofora, kontrol proton aktivitas pirofosfatase ditunjukkan, yang meningkat delapan kali lipat setelah hamburan LpH.
Data ini tampaknya cukup untuk menyimpulkan bahwa membran pyrophosphatase dari Rh chromatophores. rubrtim memiliki aktivitas pompa H+, mengkatalisis interkonversi energi reversibel antara DSN dan pirofosfat. Oleh karena itu, enzim ini dapat didefinisikan sebagai sintase H+-pirofosfat.
Mekanisme kerja enzim dan sifat molekulernya masih belum jelas. Hanya satu set inhibitor yang diketahui menekan aktivitas pirofosfatase dari membran dan bentuk enzim yang larut. Ini adalah fluoride, imidodiphosphate, N-ethylmaleimide dan antibiotik Dio-9. Oligomisin tidak mempengaruhi enzim. DCCD mengurangi aktivitas pirofosfatase dalam kromatofora, tetapi tidak dalam larutan dan tidak dalam proteoliposom. Pendidikan proteoliposom yang sensitif terhadap DCCD.
Tampaknya fungsi sintase H+-pirofosfat dalam sel Rh. rubrum harus menjadi sintesis pirofosfat karena energi cahaya (atau
respirasi) atau pembentukan ACN karena hidrolisis pirofosfat. Namun, dalam kasus pertama, nasib lebih lanjut dari pirofosfat yang terbentuk, yang dipecah oleh pirofosfatase terlarut dalam sel-sel jenis biasa, tidak jelas. Yang terakhir ini diperlukan untuk menjaga konsentrasi pirofosfat pada tingkat rendah dan dengan demikian merangsang biosintesis yang bergantung pada ATP, disertai dengan pembentukan pirofosfat. Namun, ada pengecualian untuk aturan bahwa pirofosfat segera dipecah oleh pirofosfatase terlarut. Pada beberapa bakteri, sejumlah proses sintetik telah dijelaskan yang memanfaatkan energi pirofosfat. Mungkin, Rh. rubrum termasuk dalam kategori mikroorganisme ini. Bagaimanapun, H+-pirofosfat sintase Rh. rubrum harus memiliki fungsi biologis yang penting. Aktivitasnya dalam kromatofora sangat tinggi dan sepadan dengan aktivitas H + -ATP sintase.
Konsentrasi pirofosfat yang tinggi secara tak terduga ditemukan dalam sel tumbuhan. Pada tumbuhan, H+-pyrophosphatase ditemukan di tonoplast dan membran aparatus Golgi.

3.2. Kontrol Potensi Proton pada Bakteri dalam Bakteri
Seperti yang telah dicatat, banyak bakteri memiliki jalur transpor elektron paralel, beberapa di antaranya terkait dengan akumulasi energi, sementara yang lain tidak. Selain itu, oksidasi bebas dan terkonjugasi dapat secara berurutan dimasukkan dalam rantai pernapasan yang sama. Masalah "uncoupling menguntungkan" tidak pernah diselidiki dalam kaitannya dengan bakteri.
Contoh menarik dari mekanisme yang mempertahankan LCN tinggi dengan prinsip pengaturan diri terungkap dalam percobaan dengan bakteri motil. Telah ditunjukkan bahwa perubahan LCN yang diinduksi secara artifisial dirasakan oleh bakteri sebagai sinyal yang mengatur pergerakannya. Dengan demikian, penambahan uncoupler atau penipisan oksigen berfungsi sebagai sinyal penolak yang menyebabkan perubahan arah pergerakan bakteri. Dengan demikian, penambahan Og ternyata menjadi stimulus menarik yang menguntungkan untuk gerak linier. Telah dicatat bahwa pengaruh oksigen pada perilaku bakteri (aerotaksis) memanifestasikan dirinya hanya dalam kasus-kasus ketika konsentrasi O2 dalam media mempengaruhi pH.
Penjelasan paling sederhana untuk data ini adalah bahwa bakteri memiliki perangkat yang mengukur potensial proton dan mengirimkan sinyal yang sesuai ke motor flagellar, mengatur seperti arah rotasi_ flagel: arahnya terbalik jika Dr, H berkurang, dan tetap tidak berubah jika meningkat. Akibatnya, sel bergerak ke tempat yang dapat mempertahankan Dr,H. yang lebih tinggi. Mekanisme hipotetis jenis ini, dinamai oleh penulis protometer, memungkinkan Anda untuk mengintegrasikan banyak efek yang menguntungkan dan tidak menguntungkan yang mempengaruhi keadaan energi membran.
Sebuah mekanisme dijelaskan yang mengoordinasikan kerja dua fotosistem dalam kloroplas dan dengan demikian mengoptimalkan produksi Dr,H dan NADPH. Jika fotosistem II bekerja terlalu cepat, itu mengarah pada pemulihan transporter redoks (mungkin PQ), termasuk antara dua fotosistem. Efek ini dalam beberapa cara mengaktifkan protein kinase yang memfosforilasi protein yang membawa klorofil antena. Protein bernama dalam keadaan tidak terfosforilasi dilokalisasi terutama di tilakoid yang dikemas ke dalam grana. Fosforilasi meningkatkan muatan negatif protein antena yang berdifusi dari tilakoid ke membran stroma, di mana fotosistem I biasanya berada.Akibatnya, fotosistem I menerima lebih banyak klorofil antena, dan karenanya lebih banyak foton, daripada fotosistem II. Aktivasi fotosistem I menyebabkan oksidasi PQH2, dan dengan demikian menghambat protein kinase. Protein fosfatase yang bekerja terus menerus mendefosforilasi protein antena dan menghentikan kebocoran lebih lanjut dari tilakoid ke dalam lamela stroma.

5.1. Kerja osmotik
(Na+, metabolit) sporter. Dalam toleransi alkohol V.alginolitikus, memiliki Na+-NADH-quinone reduktase, (Na + , metabolit)-sporter yang bertanggung jawab atas akumulasi 19 asam amino dan sukrosa.
Juga telah ditunjukkan bahwa akumulasi K + dalam sel V. alginolyticus pada pH basa, hal ini didukung oleh energi Aif> yang dihasilkan oleh Na+-NADH-kuinon reduktase. Akumulasi metabolit yang bergantung pada Na+ dalam basil alkalifilik telah dijelaskan dalam sejumlah laporan. Namun, masih belum jelas bagaimana alkalifil ini membentuk Ajj,Na.
Bakteri neutrofik yang hidup pada konsentrasi NaCl rendah atau sedang biasanya menggunakan H+ daripada Na+ sebagai ion impornya. Namun, ada pengecualian yang diketahui untuk aturan ini. Jadi, prolin diangkut dengan Na+ ke dalam sel Mycobacterium phlei, Salmonella typhimurium dan E.coli.
Mekanisme impor metabolit "dualistik" yang menarik dijelaskan dalam E.coli. Ternyata bakteri ini secara alternatif menggunakan H+ atau Na+ sebagai kation konjugasi selama akumulasi melibiosis. Penyerapan sitrat oleh bakteri Klebsiella pneumoniae dilakukan pembawa yang menyediakan symport sitrat 3-, 2Na + dan 2H+. Ini berarti bahwa Ar|e, pNa, dan PpH harus menjadi penggerak proses tersebut.
A. Brody dan rekan kerja berhasil mengisolasi (Na+, prolin)-sim-porter dari M. phlei, yang ternyata merupakan protein 20 kDa. Simporter yang dimurnikan dibentuk kembali dengan fosfolipid. Proteoliposom yang dihasilkan mengangkut prolin dengan mengorbankan Agr yang dibentuk oleh difusi ion K+. Akumulasi prolin dihambat oleh protonofor, yang mereduksi Dg|>, serta oleh reagen sulfhidril.
Pemurnian parsial dan rekonstruksi sporter (Na+, aspartat) dari halofilik halobakterium halobium. Umumnya mikroorganisme laut dan halofilik, seperti alkalifil, biasanya menggunakan Na+ daripada H+ sebagai ion ekspor. Hal ini juga berlaku untuk membran luar sel hewan tingkat tinggi yang direndam dalam larutan dengan konsentrasi NaCl yang tinggi. Keadaan ini merupakan bukti lain dari validitas pendapat bahwa darah adalah "sepotong lautan dalam tubuh manusia". Na+/K+-ATOa3a (dalam beberapa kasus juga Na+-ATPase) berfungsi sebagai generator AjiNa pada plasmalemma sel hewan. AjiNa yang terbentuk dimanfaatkan oleh berbagai pembawa yang mengangkut asam amino, gula, asam lemak dan senyawa lain ke dalam sel. Sejumlah simporter (Na+, metabolit) telah diisolasi dan dimasukkan ke dalam proteoliposom.
Beberapa sel hewan mengandung H+-ATPase di membran luar. Sel-sel ini juga mengandung (H+, metabolit)-sporter.