معلومة

بالنظر إلى بنية ATP synthase ، كيف يمكن لـ 3.33 بروتون تخليق ATP واحدًا واحدًا فقط؟

بالنظر إلى بنية ATP synthase ، كيف يمكن لـ 3.33 بروتون تخليق ATP واحدًا واحدًا فقط؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أنا على دراية بهيكل ووظيفة سينسيز ATP ، ولكن لا يبدو أن هناك تفصيلاً صغيرًا ذا معنى. يحدث أيضًا أن يكون من التفاصيل التي يبدو من الصعب جدًا التعبير عنها.


اعتمادًا على الكائن الحي ، يمكن أن يكون هناك من 10 إلى 14 وحدة فرعية c في الحلقة c من سينسيز ATP. من أجل التطبيق العملي / الاتساق ، لنفترض 10.

يتم بروتونات كل وحدة فرعية ج (من الجانب السيتوبلازمي للميتوكوندريون) وتدور تقريبًا 360 درجة داخل الغشاء الدهني قبل أن يتم إزالته في النهاية ، مما يؤدي إلى إطلاق بروتون في المصفوفة. وبالتالي ، نظرًا لأن الحلقة c هي 10 وحدات فرعية كبيرة (في هذه الحالة) ، يتم إدخال 10 بروتونات إلى المصفوفة كل دورة 360 درجة ، مما يعني أن 1 بروتون = دوران 36 درجة.

تسمح هذه البروتونات بتحويل وحدة جاما الفرعية إلى داخل السداسي (المكون من 3 وحدات ألفا و 3 وحدات فرعية محفزة بيتا) الموجودة أسفل الدوار. وبالتالي فإن الوحدات الفرعية b تقع على مسافة 120 درجة على حدة. كل 120 درجة بدقة، تلك الوحدة الفرعية بيتا تغير شكلها ، تمليه دوران وحدة جاما الفرعية، ويدخل إحدى الولايات الثلاث التي تحفز في النهاية ATP واحدًا من ADP والفوسفات غير العضوي (منذ ذلك الحين دولة واحدة فقط من الولايات الثلاث تشكل في الواقع ATP). نظرًا لأن وحدة جاما الفرعية تحفز تكوين 1 ATP كل 120 درجة ، فإن a دوران كامل 360 درجة ينتج 3 ATPs.

هذا هو المكان الذي تسوء فيه الأمور في ذهني. في حدود 360 درجة ، يتم تصنيع 10 بروتونات و 3 ATPs. وبالتالي ، فإن هذا يجعل (10/3) بروتونات لكل ATP ، أو 3.33 بروتون / ATP. عندما تتلقى وحدة جاما الفرعية بروتونًا ، فإنها تدور 36 درجة ، ولكن يحدث تكوين ATP فقط عند 120 درجة بالضبط، والفاصل الزمني المشترك الوحيد بين 36 و 120 هو 360 (عندما يتم صنع 3 لاعبين ATPs مقابل 1)!

تعديل: وحدة جاما الفرعية يجب تدور بزيادات 120 درجة بالضبط ، لأننا نلاحظ أنها تفعل ذلك ، كما هو موضح هنا.

كشف تحليل أكثر تفصيلاً في وجود تركيزات أقل من ATP أن الوحدة الفرعية تدور بزيادات قدرها 120 درجة ، مع كل خطوة تقابل التحلل المائي لجزيء ATP واحد.

منطقيا ، هذا لا ينبغي أن يحدث رغم ذلك، لأن أقرب زيادات من 36 إلى 120 درجة هي 108 و 144.

للتلخيص: كيف يمكن لبروتون 3.33 أن يصنع في النهاية واحدًا واحدًا فقط من ATP ، مع العلم أن الثلث الحرفي من البروتون غير موجود (باستثناء الكواركات) وأن الزيادات التي تبلغ 36 درجة لا يمكن أبدًا أن تصل إلى 120 درجة بالضبط؟


مراجع

  • "A Proton Gradient Powers the Synthesis of ATP - Biochemistry - NCBI Bookshelf"، n.d. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22388/.

قد أتخذ نظرة تبسيطية بعض الشيء في هذا الشأن ، لكنني لست متأكدًا من سبب الارتباك.

تشكل الحلقة المكونة من 10 وحدات فرعية ج محركًا يستخدم تدرجًا بروتونيًا لقيادة دوران سينسيز FoFc.

(مرجع الصورة محاضرة لطيفة عن سينسيز ATP).

محرك الوحدات الفرعية c له تناظر 10 أضعاف. تطلق كل وحدة فرعية بروتونًا لأنها تقود حركة 36 درجة من عمود الوحدة الفرعية لجاما. التناظر ستة أضعاف لتخليق ATP FoF1 منفصل تمامًا عن هذا ، وكل دوران 360 درجة ، يتم إنشاء ثلاثة ATPs. طالما استمر المحرك c في الدوران ، يتم إنشاء المزيد من ATP.

هذا السؤال مشابه لسؤال لماذا تكون نسب التروس للدراجة أو السيارة 3: 2 أو 5: 3. إن تناظر synthase والوحدة الفرعية c مستقلان فيما عدا أن عزم الدوران الناتج عن محرك الوحدة الفرعية c يجب أن يكون كافيًا لقيادة سينسيز ATP. إذا كان التدرج البروتوني أقوى ، فمن الممكن أن يكون 7 بروتونات لكل دورة كاملة وليس 10. فكر في الاثنين على أنهما تروس وقد تحصل على الصورة؟


في التفاعل الكيميائي العادي ، يجب أن يكون لديك أعداد صحيحة. 3 H + تتفاعل مع 1 ADP وهكذا. يكمن جمال هذا النظام في نقل الطاقة الكهروكيميائية لتدرج البروتون جسديا ليس كيميائيا إلى ADP + P لتشكيل ATP. هذا هو السبب في أنه يمكنك كسر قاعدة الأعداد الصحيحة التي تهيمن على معظم الكيمياء الحيوية. يؤدي تدفق H + إلى تشويه بروتينات الجزء الدوار ، ثم ينقلون هذه الطاقة لاحقًا إلى ركائزهم ، ويدمجون ADP والفوسفات لتوليد مركب ATP عالي الطاقة.


نسبة الفوسفات إلى الأكسجين في الميتوكوندريا ليست عددًا صحيحًا

لسنوات عديدة ، كان يُعتقد أن نسب الفوسفات إلى الأكسجين في الميتوكوندريا هي قيم متكاملة: 3 لـ ATP / NADH و 2 لـ ATP / FADH2. أثبتت نظرية التناضح الكيميائي أن هذا لا يجب أن يكون هو الحال لأن مواقع الاقتران لا تصنع ATP بشكل مباشر. يحدث الاقتران بين تفاعلات الأكسدة والاختزال في موقع الاقتران وتخليق ATP عن طريق ضخ البروتون وتدفق البروتون ، على التوالي. تدعم أحدث القياسات نسب الفوسفات إلى الأكسجين ∼2.5 ATP / NADH و 1.5 ATP / FADH2 تتوافق هذه القيم مع تلك المتوقعة من حسابات التناضح الكيميائي. يتم تشجيع أعضاء هيئة التدريس الذين يقومون بتدريس التمثيل الغذائي على عكس هذه التطورات في ملاحظات المحاضرات الخاصة بهم.

أوضحت المناقشات الأخيرة مع العديد من الزملاء في علم الأحياء ، بالإضافة إلى قراءة الأدبيات [1 ، 12] ، أن بعض الأساتذة والعديد من مؤلفي الكتب المدرسية ما زالوا يعتقدون أن الميتوكوندريا P / O 1 1 الاختصار المستخدم هو: P / O ، الفوسفات إلى الأكسجين. النسب هي قيم تكاملية على الأقل تقريبًا. لفترة طويلة ، كان يُعتقد أن كل موقع اقتران ميتوكوندريا ينتج 1 ATP / زوج من الإلكترونات ، مما يعطي نسب P / O من 3 ATP / NADH و 2 ATP / FADH2 لا تزال هذه القيم تظهر في معظم كتب علم الأحياء ومعظم نصوص المراجعة التي تهدف إلى دورات الكيمياء الحيوية الطبية.

في الواقع ، تم الإبلاغ عن نسب P / O المقاسة تجريبياً لتكون أقل من 3 ATP / NADH و 2 ATP / FADH2. قبل عام 1980 ، كان هذا "التناقض" يُفسَّر غالبًا على أنه ناتج عن تحضيرات ميتوكوندريا متسربة أو متضررة. ومع ذلك ، منذ منتصف الثمانينيات أو نحو ذلك ، قبل معظم علماء الطاقة الحيوية نسب P / O التي تم قياسها بواسطة Hinkle وآخرين [2 ، 3] من 2.5 ATP / NADH و 1.5 ATP / FADH2. تناقش كتب الكيمياء الحيوية والطاقة الحيوية الحديثة هذا الجدل ، ويوضح الجدول الأول أن معظمها (8 من 10 في الجدول أدناه) 2 2 لقد أدرجت فقط نصوص الكيمياء الحيوية الجامعية المعتمدة بشكل شائع في هذا الجدول. هذه هي النصوص التي تناقش بصرامة المفاهيم والقياسات التجريبية الكامنة وراء فرضية التناقض الكيميائي والعلاقة بين ضخ البروتون الذي يحركه الأكسدة والاختزال وتوليف ATP الذي يحركه البروتون. استخدم نسب P / O الكسرية الأقل والأكثر حداثة ، بدلاً من القيم التكاملية الأعلى والأقدم. استخدام قيم نسبة P / O غير الصحيحة له ميزتان. إنها أكثر دقة ، كما أنها تسلط الضوء على حقيقة أن نسب الاقتران لا يجب أن تكون أعدادًا صحيحة. كل موقع اقتران يفعل ليس يجعل 1 ATP يضخ ببساطة عددًا كافيًا من البروتونات (حوالي أربعة لكل زوج من الإلكترونات) لإنتاج 1 ATP تقريبًا. في الواقع ، في حين أن موقعي الاقتران الأول والثالث (المجمعين الأول والرابع) يضخون أربعة بروتونات شبكية ويقومون بتوليف ما يقرب من 1 ATP ، فإن موقع الاقتران الثاني (المركب III) فقط يضخ شبكتين من البروتونات ويصنع حوالي 0.5 ATP / زوج من الإلكترونات المنقولة [3].

يمكن تصور نسبة P / O البالغة 2.5 ATP / NADH على النحو التالي:

10 H + يضخ لكل NADH يتأكسد بـ ½ O2

(عبر المجمعات الأول والثالث والرابع)

مقسومًا على 4 H + تدفقت خلال F.1F0 لكل ATP توليفها (ولكن انظر أدناه).

1.5 ATP / FADH2 = 6 ساعات + ضخ / FADH2 يتأكسد ÷ 4 ساعات + تدفق / ATP.

يتم تشجيع أعضاء هيئة التدريس الذين يقومون بتدريس التمثيل الغذائي على عكس هذه التطورات في ملاحظات المحاضرات الخاصة بهم.

يقع طراز F1F0 نسبة اقتران 4 H + / ATP مثيرة للجدل. على الرغم من أن قياسات Hinkle تدعم هذه القيمة [2] ، فقد قام البعض الآخر بقياس قيم منخفضة تصل إلى 3 وتصل إلى 5. حجج تستند إلى بنية F1F0 يجادل oligomer ضد قيمة متكاملة لنسبة اقتران H + / ATP. ضع في اعتبارك أن دورة واحدة كاملة من F1F0 ينتج الدوار 3 ATP من الثلاثة F.1 β وحدات فرعية ، ويحتوي الدوار على عدة (ن) نسخ من F0 ج الوحدات الفرعية مرتبة بشكل متماثل جن حلقة. عدد ال ج تم تحديد نسخ الوحدة الفرعية في الحلقة [4 ، 5] من قبل مؤلفين مختلفين لتكون 9 أو 10 أو 11 أو 12 أو 14. طوال التسعينيات ، تم تقديم الأدلة لصالح ج12 حلقة [6 ، 7] ، لكن النتائج الأخيرة تفضل بشكل قاطع أ ج10 حلقة للميتوكوندريا والبكتيريا والخميرة و1F0 إنزيم [5 ، 8 - 10].

القياس المتكافئ من جن الحلقة مهمة لأنها تحدد على الأرجح نسبة اقتران H + / ATP بالطريقة التالية. واحد ج تربط الوحدة الفرعية بروتونًا واحدًا ، وبالتالي فإن الدوران الكامل بمقدار 360 درجة يتطلب تدفقًا ن البروتونات وتنتج 3 ATP. لذلك ، إذا ن = 12 ، ثم نسبة اقتران H + / ATP داخل F1F0 من المتوقع أن يكون سينسيز ATP 12 H + / 3 ATP = 4 ، كما هو مفترض في حساب نسبة P / O أعلاه. ومع ذلك، إذا ن = 10 ، كما هو معتقد الآن ، يجب أن تكون نسبة اقتران H + / ATP 10/3 = 3.33 [3 ، 8 ، 10].

يظهر تجعد آخر عندما نعتبر أن ATP يستخدم في السيتوبلازم ، حيث يتحلل بالماء إلى ADP + Pأنا، ولكن يتم تصنيعه من ADP + P.أنا في مصفوفة الميتوكوندريا. وبالتالي ، يجب علينا أيضًا مراعاة البروتونات المطلوبة لتنشيط النقل: تصدير ATP 4− إلى السيتوبلازم واستيراد ADP 3− + HPO4 2− في المصفوفة. إن ناقل التبادل ATP 4− / ADP 3− كهربائي (صافي تصدير شحنة −1) وهذا يعادل رسميًا عملية تصدير محايدة إلكترونيًا (ATP 4− + H +) / عملية استيراد ADP 3−. حامل الفوسفات متعادل إلكترونياً (استيراد H2ص4 2− / تصدير OH -) ، وهو ما يعادل رسميًا استيراد 1 HPO4 2− + 2 ساعة +. تلخيصًا لكل هذا ، النتيجة الصافية لـ ATP / ADP / Pأنا النقل هو أنه لكل 1 ATP السيتوبلازمي ، يلزم استيراد بروتون إضافي واحد [3 ، 11]. وبالتالي ، لكل ATP ، فإن عدد البروتونات المستوردة من الميتوكوندريا هو 1 + ن/3, بمعنى آخر. 4.33 H + / ATP إذا ن = 10. معطى صافي ضخ 10 H + لأكسدة NADH و 6 H + للسكسينات / FADH2، ينتج عن هذا بدوره نسب P / O تبلغ 2.3 لـ NADH (10 H + / 2e− ÷ 4.33 H + / ATP) و 1.4 لـ succinate / FADH2 (6 H + / 2e− ÷ 4.33 H + / ATP).

السؤال الأخير الذي يجب مراعاته هنا هو ما هي المعلومات المهمة للطلاب الجامعيين الذين يدرسون علم الأحياء التمهيدي ، أو بيولوجيا الخلية ، أو البيولوجيا الجزيئية ، أو الكيمياء الحيوية التي يجب معرفتها. التفاصيل الدقيقة الموضحة في الفقرات الثلاث أعلاه هي أكثر مما يحتاجه الطالب العادي. ومع ذلك ، فإن حصيلة هذه المناقشة مهمة في الواقع. نسب P / O ليست أعدادًا صحيحة ، وهي أقل بكثير من قيم 3 ATP / NADH و 2 ATP / FADH2 ذكرت خطأ في العديد من الكتب المدرسية.

من المثير للاهتمام أن نلاحظ أيضًا أنه باستخدام نسب P / O القديمة المتكاملة ، تشير معظم النصوص إلى حد أقصى من إنتاج ATP لكل جلوكوز يبلغ 38 (من 10 NADH + 2 FADH2 + 4 ATP). باستخدام ، من ناحية أخرى ، نسب P / O الأكثر احتمالية من 2.3 ATP / NADH و 1.4 ATP / FADH2 تنتج قيمة قصوى أقل بقليل من 30 ATP / الجلوكوز. حتى هذه القيمة ، 29.85 ATP / الجلوكوز ، ليست عددًا صحيحًا! على الرغم من الجنون إلى حد ما بالنسبة للطلاب الجامعيين ، إلا أن حقيقة أن هذه الحسابات الحسابية البسيطة لا تسفر عن قيم تكامل بسيطة هي أمر مفيد.


الملخص

منذ عام 1929 ، عندما تم اكتشاف أن ATP هو ركيزة لتقلص العضلات ، تم توسيع المعرفة حول نيوكليوتيد البيورين بشكل كبير. تدور العديد من جوانب التمثيل الغذائي للخلايا حول إنتاج ATP واستهلاكه. من المهم فهم مفاهيم استهلاك الجلوكوز والأكسجين في الحياة الهوائية واللاهوائية وربط الطاقة الحيوية بالكم الهائل من التفاعلات التي تحدث داخل الخلايا. يُنظر إلى ATP عالميًا على أنه عامل تبادل الطاقة الذي يربط بين عملية الابتنائية والتقويض ولكنه أيضًا يغذي عمليات مثل الانكماش المتحرك ، والتفسيرات ، والنقل النشط. وهو أيضًا جزيء إشارة في آليات التأشير البيورينجي. في هذه المراجعة ، سنناقش جميع الآليات الرئيسية لإنتاج ATP المرتبطة بفسفرة ADP بالإضافة إلى تنظيم هذه الآليات أثناء ظروف الإجهاد وفيما يتعلق بأحداث إشارات الكالسيوم. سيتم أيضًا مراجعة التطورات الحديثة المتعلقة بتخزين ATP وأهميته الخاصة في إشارات Purinergic.


المواد والأساليب

نمذجة ج-حلقة

نموذج تجانس أولي لـ جمن Polytomella sp. برينغشيم 198.80.00 تم إنشاؤه باستخدام MODELLER 9v8 (Fiser and Sali ، 2003) ، بناءً على هيكل خميرة الخميرة ج-ring (Symersky et al. ، 2012b) ومحاذاة متعددة التسلسلات لـ ج الوحدات الفرعية التي تم إنشاؤها باستخدام HHblits (Remmert et al. ، 2012). تم إنتاج مجموعة من 2000 نموذج في البداية وتصنيفها من حيث DOPE (Shen and Sali ، 2006) و GA341 (Melo and Sali ، 2007). ثم تم تنقيح نموذج الترتيب الأعلى وتثبيته في المنطقة ذات الصلة من بوليتوميلا خريطة cryo-EM (Allegretti et al. ، 2015) ، والتي تم نحتها مسبقًا باستخدام CHIMERA (Pettersen et al. ، 2004). تم إجراء التنقية باستخدام Rosetta ، وبالتحديد مع ما يسمى بروتوكول "الاسترخاء" (DiMaio et al. ، 2009) ، باستخدام وظائف تسجيل الغشاء عالي الدقة ووظائف التسجيل الملائمة للكثافة (Yarov-Yarovoy et al. ، 2006) ديمايو وآخرون ، 2009). تم إنشاء ما مجموعه 1200 نموذج وتسجيلها. تمت ترجمة الامتدادات الغشائية في البروتين من تلك التي تنبأ بها OPM (Lomize et al. ، 2006) لبنية S. cerevisiae ج-حلقة. أثناء الصقل ، تم تقييد مواضع ذرات Cα ، وفرض تناظر 10 أضعاف على طول محور الحلقة. كان من المفترض أن دقة الخريطة هي المقدرة في الأصل لـ ج-ring (Allegretti et al.، 2015) ، أي 7.8 (القيمة الإجمالية 7.0 Å). تم ضبط تباعد فوكسل على 3.0 Å. استندت درجة الملاءمة للكثافة إلى الارتباط بين الخريطة التجريبية والخريطة المحسوبة لنموذج ، لكامل جهيكل الخيط. كما تم وصفه للخرائط ذات الدقة المماثلة (DiMaio et al. ، 2009) ، كانت خريطة الكثافة المحسوبة هي خريطة تتبع Cα ، بافتراض نصف قطر ذري 8-Å يُقصد به أيضًا أن يشمل السلسلة الجانبية.

نمذجة الوحدة الفرعية أ

تم إنشاء النماذج الأولية لتتبع Cα لأي من دبابيس الشعر TM4-TM5 أو TM2-TM3 باتباع بروتوكول تم وصفه مسبقًا (Baker et al. ، 2010) ، باستخدام إصدارات SSEHunter و SSEBuilder (Baker et al. ، 2007) المنفذة في جورجون (https://gorgon.wustl.edu). استخدم الهيكل العظمي خوارزمية موصوفة في مكان آخر (جو وآخرون ، 2007) مع عتبة 0.1 ، بافتراض دقة 6.5 Å لجزء من خريطة cryo-EM المقابلة للوحدة الفرعية أ (Allegretti وآخرون ، 2015). تم ربط كل دبوس شعر في خريطة cryo-EM بدءًا من الطرف C ، مسترشدًا بتوقع البنية الثانوية المتفق عليها. بناءً على هذه النماذج الأولية ، تم إنشاء سلسلة من خيوط المعالجة البديلة عن طريق إزاحة تتبع Cα في أي اتجاه في زيادات أحادية البقايا في الممارسة العملية ، هذه الخيوط البديلة هي "نماذج متجانسة" للترابط الأولي ، حيث تشتمل محاذاة التسلسل المرجعي على فجوات تم إدخاله بشكل مصطنع لتحقيق التحول المطلوب. تم تحويل كل من آثار Cα هذه لدبابيس الشعر TM4-TM5 و TM2-TM3 بشكل فردي إلى نموذج شامل للذرات ، باستخدام Rosetta ، كما هو موضح في مكان آخر (DiMaio et al. ، 2009). باختصار ، تم النظر في شظايا من تسعة وثلاثة من بقايا بنية معروفة لكل منطقة حلزونية لتتبع Cα (لاحظ أن البقايا المتضمنة في هذه المناطق الحلزونية تختلف باختلاف الخيوط). بعد بناء هذه الأجزاء ، تعرضت الهياكل الناتجة للاضطراب في محاكاة مونت كارلو ، مما أدى إلى تشريد 30 درجة لكل 0.5 Å على طول محور اللولب و 2 درجة لكل 0.5 خارج المحور. تم تطبيق قيد 2 Å من نموذج Cα الأولي بغرامة قدرها 0.1 (وحدات عشوائية) في وظيفة التسجيل. ثم أعيد بناء الحلقات للنموذج الأقل طاقة ، وتم تركيب نموذج دبوس الشعر الكامل وصقله في كثافة cryo-EM ، باستخدام نفس الإجراء المستخدم في ج-حلقة. كانت دقة الخريطة المستخدمة لهذا التحسين 6.5 ، مع تباعد فوكسل 3.0 Å. لكل خيط من كل دبوس شعر ، تم إنتاج مجموعة من 1200 نموذج باستخدام هذه الخوارزمية. تم استخراج النماذج التي حصلت على أفضل 20٪ من مجموع نقاط Rosetta من كل مجموعة وتقييمها وفقًا لاتساقها مع التحليل التطوري للطفرات المرتبطة ، وكذلك مع بيانات الربط المتبادل الموجودة مسبقًا (انظر أدناه). بعد تحديد أكثر الخيوط المعقولة لكل من دبابيس الشعر ، أعدنا بناء وصقل الحزمة الكاملة المكونة من أربعة حلزون في خريطة cryo-EM الجزئية بطريقة مماثلة لتلك المستخدمة لكل دبوس شعر فردي / خيط.

اقترانات تطورية داخل الوحدة الفرعية أ وبين الوحدات الفرعية أ و ج

الارتباطات بين الطفرات التي تحدث بشكل طبيعي في الوحدة الفرعية أ تم تحديدها في محاذاة من 95500 تسلسل ، والتي تم إنشاؤها باستخدام HHblits (Remmert et al. ، 2012) باستخدام تكراريْن للبحث المتماثل وقيمة E بقيمة 10 5. تم حساب درجة الاقتران لكل زوج من الطفرات باستخدام خادم EVcouplings (Marks et al. ، 2011 ، 2012 Hopf et al. ، 2012). لتسجيل درجة الارتباط في الطفرات المتزامنة لـ ج و أ الوحدة الفرعية ، تم إنشاء محاذاة تسلسلية متعددة مماثلة للأولى ، متسلسلة مع تلك الخاصة بالأخيرة ، وتم تقييمها باستخدام خادم EVcomplex (Hopf et al. ، 2014). تم النظر فقط في الأزواج المتبقية ذات نقاط الاقتران التطوري التي تبلغ 0.15 أو أكثر.

تقييم توافق النموذج مع أدوات التوصيل التطورية والصلات المتقاطعة

تم استخدام طريقتين لتقييم الدرجة التي يتوافق بها نموذج معين مع مجموعة مسافات Cα – Cα المستنبطة إما من تحليل الطفرات المترابطة أو بيانات الربط المتبادل الحالية. كانت الطريقة الأولى هي تحديد عدد المسافات التي تتجاوز القيم المثالية ، أي عدد الانتهاكات ، على سبيل المثال ، في حالة الاقتران التطوري ، قمنا بتعريف الانتهاك كمثال تكون فيه المسافة بين اثنين من البقايا في زوج مترابط هو & gt15 Å. في الطريقة الثانية ، استخدمنا وظيفة التسجيل التي تفسر حقيقة أن بعض البيانات المرجعية أقل موثوقية ، إما لأن البيانات قليلة جدًا (على سبيل المثال ، الطفرات المرتبطة بين ج و أ الوحدة الفرعية) ، أو ليست بالضرورة متسقة ذاتيًا (على سبيل المثال ، بيانات الربط المتبادل). هذه الوظيفة تأخذ الشكل

أين ال أنا و ي تشير الفهارس إلى ذرتين Cα في كل زوج من المخلفات المعتبرة و صاي جاي هي المسافة بينهما في النموذج قيد التقييم. ال ك يشير الفهرس إلى ما إذا كانت الدرجة تتعلق ببيانات الربط المتبادل (ك = 1) أو الروابط التطورية (ك = 2). صك هي قيمة المسافة المستهدفة في كل حالة. قيم ص1 المستخدمة كانت 8 لسندات ثاني كبريتيد المباشرة و 12 للوصلات المتقاطعة M2M المتباعدة ، في حين أن ص2 كان 15 Å. لاحظ أن هذه القيم تعني أن الحد الأقصى للدرجات لنموذج معين هو F1 = 19 و F2 = 11. كلما كان نموذج معين أكثر توافقًا مع البيانات (أي ، زاد عدد الأزواج التي تفي بالبيانات صاي جايصك) ، كلما زادت قيم Fك. ومع ذلك ، الوصلات المتقاطعة أو أدوات التوصيل غير المجدية (صاي جاي & GT & GT صك) في نموذج معين لا تساهم سلبًا في ذلك Fك نتيجة. ومن ثم ، تم تصميم طريقة الترتيب هذه للكشف عن النماذج الأكثر توافقًا عالميًا مع البيانات التجريبية.

مواد تكميلية عبر الإنترنت

يوضح الشكل S1 البنية الأساسية لمركب ATP synthase. يوضح الشكل S2 خريطة cryo-EM للوحدة الفرعية أج-حلقة معقدة من سينسيز ATP الميتوكوندريا البقري. يوضح الشكل S3 محاذاة تسلسل الأحماض الأمينية للوحدة الفرعية ج من عند بوليتوميلا و كلاميدوموناس رينهاردتي ضد تلك ذات التركيب الذري المعروف. يوضح الشكل S4 صقل ج- رنين نموذج التنادد مع رشيد. يوضح الشكل S5 متواليات الأحماض الأمينية للوحدة الفرعية أ من عند بوليتوميلا و الإشريكية القولونية. يقيم الشكل S6 اتساق الهيكل المقترح لـ أج معقدة مع دراسات الربط المتقاطعة السابقة لـ بكتريا قولونية سينسيز ATP. يقيم الشكل S7 اتساق الهيكل المقترح لـ أج معقدة مع بيانات إمكانية الوصول السيستين لـ بكتريا قولونية سينسيز ATP. يوضح الشكل S8 مقارنة بين النماذج المختلفة للوحدة الفرعية أ بنية. يقيم الجدول S1 نموذج Polytomella ج10- هيكل الخيط قبل وبعد الصقل باستخدام Rosetta. يوضح الجدول S2 الروابط المتقاطعة للسيستين المصممة هندسيًا في بكتريا قولونية سينسيز ATP. يعرض الجدول S3 مواقع حظر Cd 2+ في ملف بكتريا قولونية سينسيز ATP.


الفصل الثاني - التركيب والعمارة فوق الجزيئية لتصنيع البلاستيدات الخضراء ATP ☆

البلاستيدات الخضراء FاF1 سينثيز ATP - إنزيم متعدد الوحدات موجود في غشاء ثايلاكويد النبات - يقرن التدرج الكهروكيميائي البروتوني الذي تم بناؤه بواسطة تفاعلات نقل الإلكترون الضوئي مع تخليق ATP. توليف مصدر الطاقة الخلوية العالمي هذا في الغشاء الخارجي F1 وحدة مدفوعة بحركات دوارة في F.اF1 إنزيم هولو الذي يتم تشغيله عن طريق نقل البروتون عبر F المضمن في الغشاءا-الوحدة الفرعية. لقد استفاد فهمنا الميكانيكي لـ ATP synthase بشكل كبير من الرؤى التفصيلية في الهيكل والعمارة فوق الجزيئية لهذه الآلة الجزيئية الرائعة التي نمت بشكل هائل في العقود الماضية. بدأ هذا بصور مجهرية إلكترونية منخفضة الدقة لـ FاF1 معقدًا ، استمر مع هياكل الدقة الذرية للوحدات الفرعية الفردية أو المجمعات الفرعية التي تم حلها بواسطة التصوير البلوري بالأشعة السينية أو الرنين المغناطيسي النووي ، وبلغت ذروتها في النهاية في نموذج جزيئي عالي الدقة للبلاستيدات الخضراء الكاملة FاF1 holoenzyme تم الحصول عليها عن طريق الفحص المجهري الإلكتروني.


الارتباط بين نقل الإلكترون وتوليد ATP

في كيميائي، يتم استخدام الطاقة الحرة من سلسلة تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تم وصفها للتو لضخ أيونات الهيدروجين (البروتونات) عبر الغشاء. يحدد التوزيع غير المتكافئ لأيونات H + عبر الغشاء كلاً من التركيز والتدرجات الكهربائية (وبالتالي ، التدرج الكهروكيميائي) ، بسبب أيونات الهيدروجين والشحنة الموجبة وتجميعها على جانب واحد من الغشاء.

إذا كان الغشاء مفتوحًا للانتشار بواسطة أيونات الهيدروجين ، فإن الأيونات تميل إلى الانتشار مرة أخرى عبر المصفوفة ، مدفوعة بالتدرج الكهروكيميائي. لا يمكن للعديد من الأيونات أن تنتشر عبر المناطق غير القطبية لأغشية الفسفوليبيد دون مساعدة القنوات الأيونية. وبالمثل ، لا يمكن لأيونات الهيدروجين في فضاء المصفوفة أن تمر إلا عبر غشاء الميتوكوندريا الداخلي من خلال بروتين غشائي متكامل يسمى سينسيز ATP (كما هو موضح أدناه). يعمل هذا البروتين المعقد كمولد صغير ، يتم تشغيله عن طريق نقل الطاقة بوساطة تحرك البروتونات أسفل تدرجها الكهروكيميائي. تعمل حركة هذه الآلة الجزيئية (الإنزيم) على تقليل طاقة التنشيط للتفاعل وتجمع بين النقل المفرط للطاقة المرتبط بحركة البروتونات أسفل تدرجها الكهروكيميائي إلى إضافة فوسفات إلى ADP ، مما يؤدي إلى تكوين ATP.

الشكل 3. سينسيز ATP عبارة عن آلة جزيئية معقدة تستخدم تدرج بروتون (H +) لتكوين ATP من ADP والفوسفات غير العضوي (Pi).

الائتمان: تعديل العمل لكلاوس هوفمير

Dinitrophenol (DNP) هو مادة كيميائية صغيرة تعمل على فصل تدفق البروتونات عبر الغشاء الداخلي للميتوكوندريا إلى سينسيز ATP ، وبالتالي تخليق ATP. يجعل DNP الغشاء يتسرب إلى البروتونات. تم استخدامه حتى عام 1938 كعقار لإنقاص الوزن. ما هو التأثير الذي تتوقعه لـ DNP على الفرق في الأس الهيدروجيني عبر جانبي غشاء الميتوكوندريا الداخلي؟ لماذا تعتقد أن هذا قد يكون دواءً فعالاً لإنقاص الوزن؟ لماذا قد يكون خطيرا؟

في الخلايا السليمة ، يتم استخدام التناضح الكيميائي (الموضح أدناه) لتوليد 90 في المائة من ATP المصنوع أثناء هدم الجلوكوز الهوائي ، وهي أيضًا الطريقة المستخدمة في تفاعلات الضوء لعملية التمثيل الضوئي لتسخير طاقة ضوء الشمس في عملية الفسفرة الضوئية. تذكر أن إنتاج ATP باستخدام عملية التناضح الكيميائي في الميتوكوندريا يسمى الفسفرة المؤكسدة. النتيجة الإجمالية لهذه التفاعلات هي إنتاج ATP من طاقة الإلكترونات المزالة من ذرات الهيدروجين. كانت هذه الذرات في الأصل جزءًا من جزيء الجلوكوز. في نهاية المسار ، تُستخدم الإلكترونات لتقليل جزيء الأكسجين إلى ماء.

رابط مفيد: كيف يتكون ATP من سينسيز ATP

الشكل 4. في الفسفرة المؤكسدة ، يتم استخدام تدرج الأس الهيدروجيني الذي تشكله سلسلة نقل الإلكترون بواسطة سينسيز ATP لتكوين ATP في بكتيريا جرام.

يثبط السيانيد السيتوكروم ج أوكسيديز ، وهو أحد مكونات سلسلة نقل الإلكترون. في حالة حدوث تسمم بالسيانيد ، هل تتوقع أن يزداد أو ينقص الرقم الهيدروجيني للحيز بين الغشاء؟ ما هو تأثير السيانيد على تخليق ATP؟


مقدمة

مركبات الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) عبارة عن مجمعات بروتينية متعددة الوحدات تستخدم قوة دافعة كهروكيميائية بروتون عبر الغشاء لتزويد الخلية بـ ATP من ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) والفوسفات غير العضوي (Pi). توجد هذه الإنزيمات في البكتيريا والبلاستيدات الخضراء كمونومرات ، وفي الميتوكوندريا كصفوف من الثنائيات التي تثني الغشاء الداخلي لتسهيل تكوين كريستي الميتوكوندريا (Davies et al. ، 2012 Paumard et al. ، 2002). إزفاء البروتون عبر F المضمنة في الغشاءا تحدث منطقة المجمع عبر قناتين متوازيتين نصفيتين (Vik and Antonio، 1994 Junge et al.، 1997). دراسات مع عصية أظهر سينسيز PS3 ATP في الجسيمات الشحمية أن انتقال البروتون قد يكون مدفوعًا بـ ΔpH أو وحده (Soga et al. ، 2012). يتسبب مرور البروتونات في دوران مجمع فرعي دوار ، مما يؤدي إلى تغيير تكوين في الحفاز F1 المنطقة لإنتاج ATP (Walker ، 2013) بينما يحمل المركب الفرعي للساق الطرفية الحرف F.1 المنطقة ثابتة بالنسبة إلى الدوار الدوار أثناء التحفيز. بالنسبة لإنزيم الميتوكوندريا ، تم استخدام علم البلورات بالأشعة السينية لتحديد هياكل F الذائبة1 المنطقة (Abrahams et al. ، 1994) ، والهياكل الجزئية للمجمع الفرعي للساق المحيطي وحده (Dickson et al. ، 2006) ومع F1 المنطقة (ريس وآخرون ، 2009) ، وهياكل ف1 المنطقة ذات الحلقة الغشائية المضمنة في ج- الوحدات الفرعية المرفقة (Stock et al.، 1999 Watt et al.، 2010). سمحت الاختراقات الحديثة في الفحص المجهري الإلكتروني (cryo-EM) بتركيبات F المضمن في الغشاء.ا يتم تحديد المناطق من تركيبات ATP للميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء بدقة شبه ذرية (Guo et al. ، 2017 Klusch et al. ، 2017 Srivastava et al. ، 2018 Hahn et al. ، 2018).

بالمقارنة مع نظيراتها في الميتوكوندريا ، فإن التركيبات البكتيرية ATP لها تكوين وحدة فرعية أبسط. يقع طراز F1 تتكون المنطقة من وحدات فرعية α3β3γδε، في حين أن محرك F.ا تتكون المنطقة عادة من ثلاث وحدات فرعية مع قياس العناصر المتكافئة أب2ج9-15. البلاستيدات الخضراء وعدد قليل من البكتيريا ، مثل Paracoccus denitrificans، تمتلك نسختين مختلفتين ولكن متماثلتين من الوحدة الفرعية ب، الوحدات الفرعية المسماة ب و ب' (ووكر ، 2013). كل نسخة من الوحدة الفرعية α و β يحتوي على موقع ربط النيوكليوتيدات. غير المحفز α ترتبط كل وحدة فرعية بأيون المغنيسيوم (Mg 2+) ونيوكليوتيد ، في حين أن العامل الحفاز β يمكن للوحدات الفرعية أن تعتمد تركيبات مختلفة وترتبط بـ Mg-ADP (βموانئ دبي) ، Mg-ATP (βTP) ، أو تبقى فارغة (βه). التراكيب البلورية للبكتيريا F1-ATPases و جينبع من Fا تم تحديد مناطق من عدة أنواع (Stocker et al. ، 2007 Cingolani and Duncan ، 2011 Morales-Rios et al. ، 2015 Shirakihara et al. ، 2015 Ferguson et al. ، 2016 Pogoryelov et al. ، 2009 Preiss et al. ، 2010 Preiss et al.، 2013 Preiss et al.، 2015). تراكيب التركيبات السليمة للاعبي التنس المحترفين من بكتريا قولونية تم تحديد الدقة الكلية من 6 إلى 7 بواسطة cryo-EM ، مع F.ا تُظهر المنطقة جودة أقل من بقية الخرائط ، ويفترض أن ذلك يرجع إلى المرونة التوافقية (Sobti et al. ، 2016). في هياكل كل من سينسيز ATP السليم (Sobti et al. ، 2016) والمنفصل F1-ATPase (Cingolani and Duncan، 2011 Shirakihara et al.، 2015) من البكتيريا ، الوحدة الفرعية ε يتبنى التشكل "up" الذي يثبط التحلل المائي لـ ATP بواسطة الإنزيم. في البكتيريا المحبة للحرارة عصية PS3 ، هذه الوحدة الفرعية ε التثبيط الوسيط يعتمد على تركيز ATP الحر (Kato et al. ، 1997 Suzuki et al. ، 2003 Saita et al. ، 2010). تركيزات منخفضة من ATP (على سبيل المثال & lt0.7 ملي مول) تعزز المثبط فوق التشكل بينما يمكن إحداث التشكل "السفلي" المتساهل بواسطة تركيز عالٍ من ATP (على سبيل المثال & gt1 ملي مولار). هذه الآلية من شأنها أن تسمح عصية سينسيز PS3 ATP للتشغيل في الاتجاه المعاكس ، مما يؤدي إلى إنشاء قوة دافعة بروتون بواسطة التحلل المائي لـ ATP ، عندما يكون تركيز ATP كافيًا للقيام بذلك دون استنفاد إمداد الخلية من ATP. في بكتريا قولونية، ومع ذلك ، في حالة عدم وجود قوة دافعة بروتون كافية لدفع تخليق ATP ، تثبيط التحلل المائي لـ ATP بواسطة الوحدة الفرعية ε يستمر حتى عندما يكون تركيز ATP مرتفعًا (Laget and Smith، 1979 Sekiya et al.، 2010).

على الرغم من إخضاع تركيبات ATP البكتيرية لتحليل كيميائي حيوي مكثف ، إلا أن المعلومات الهيكلية عالية الدقة تفتقر إلى الإنزيم السليم أو الوحدة الفرعية الموصلة بالبروتون المضمنة في الغشاء أ والوحدة الفرعية المرتبطة بها ب. حددنا هياكل سينسيز ATP السليم من عصية PS3 في ثلاث حالات دوران بواسطة cryo-EM. وصلت الهياكل إلى قرارات إجمالية 3.0 و 3.0 و 3.2 (الشكل 1) ، مما يسمح ببناء نماذج ذرية كاملة تقريبًا للمجمع بأكمله. تكشف الهياكل كيف الحلقات في الوحدة الفرعية أ من الإنزيم البكتيري يملأ دور الوحدات الفرعية الإضافية في Fا منطقة إنزيم الميتوكوندريا. الأهم من ذلك ، أن الهياكل توفر إطارًا لفهم عقود من تجارب الطفرات المصممة لاستكشاف آلية توليفات ATP.

الهيكل العام لـ عصية PS3 ATP synthase.

(أ) كارتون سينسيز ATP. (ب) خريطة Cryo-EM لمزامنة ATP مع وحدات فرعية ملونة بنفس لون الرسوم المتحركة. (ج) مثال كثافة الخريطة التي سمحت ببناء نموذج ذري. شريط المقياس ، 30.


المقدمة

اقترح بيتر ميتشل لأول مرة أن جهد البروتون يستخدم لتوفير الطاقة اللازمة لتخليق ATP. بينما تم اقتراح فرضية التناضح الكيميائي [1] في عام 1961 ، نظرًا لتعقيدات الإنزيم ، فإننا الآن نفهم التفاصيل الجزيئية لتخليق ATP. سينسيز ATP عبارة عن مركب إنزيمي كبير متعدد الوحدات يتكون من 20 وحدة فرعية مختلفة أو عديد ببتيدات موجودة في بعض الحالات في نسخ متعددة. يرتبط سينسيز ATP بالغشاء الداخلي للميتوكوندريا مع عدد من الوحدات الفرعية القابلة للذوبان في الماء بينما بعضها الآخر عبارة عن بروتينات غشائية متكاملة.

يتكون سينسيز ATP للميتوكوندريا من مكونين قابلين للفصل: F1 (العامل 1) و F.ا (العامل الذي يمنح الحساسية لـ o ligomycin). سينسيز ATP عبارة عن محرك جزيئي قابل للانعكاس يتكون من جزأين: توربين بروتون (داخل Fا) وآلة جزيئية (F1) التي تستخدم الطاقة الدورانية لتكوين ATP من ADP والفوسفات. يتم تشغيل توربين البروتون عن طريق تدفق البروتونات أسفل تدرج محتمل عبر غشاء الميتوكوندريا الناتج عن سلسلة نقل الإلكترون أثناء التنفس. يقع دوار التوربين داخل F1 وعندما يدور ، يحرك توليف ATP في الآلية العامة الموصوفة في فرضية تغيير الربط لبول بوير [2].

يعمل سينسيز ATP على تحويل طاقة تفاعلات الأكسدة والاختزال لسلسلة نقل الإلكترون (التنفس) إلى فسفرة ADP. يتم "اقتران" تخليق ATP بالسلسلة التنفسية عبر جهد البروتون. عدد جزيئات ATP المصنوعة ، لكل عدد من ذرات الأكسجين المختزلة في سلسلة نقل الإلكترون (نسبة P / O) هو مقياس لاقتران سينسيز ATP مع سلسلة نقل الإلكترون [3]. تعتمد نسبة P / O على عدد من المتغيرات ، بما في ذلك سلامة الغشاء ، وموقع سلسلة نقل الإلكترون حيث يتم قبول الإلكترونات ، وسلامة سينسيز ATP. بسبب هذه المتغيرات والتغيرات التجريبية الأساسية ، تم الإبلاغ عن مجموعة من P / O ، ولكن قيم الإجماع لميتوكوندريا الثدييات ، هي 2.5 و 1.5 ، للإلكترونات التي تدخل في NADH ديهيدروجينيز وسكسينات ديهيدروجينيز ، على التوالي [4] [5]. توفر الفهمات الحديثة لعلاقة التركيب / الوظيفة نظرة ثاقبة على قدرة اقتران سينسيز ATP استنادًا جزئيًا إلى العدد النظري لجزيئات ATP المصنوعة في كل تدفق من البروتونات. استخدام قياس العناصر المتكافئ في الحلقة c لـ 8 (انظر المناقشة على F.ا أدناه) بالنسبة للإنزيم البقري ، فإن الحد الأقصى لنسبة P / O النظرية للثدييات الميتوكوندريا هي 2.7 لـ NADH و 1.6 للسكسينات [3]. خميرة S. cerevisiae يفتقر إلى موقع الاقتران الأول [6] وبالنظر إلى قياس العناصر المتكافئ في الحلقة c للخميرة عند 10 ، فإن نسبة P / O لـ NADH والسكسينات هي حوالي 1.3. ومع ذلك ، لتحليل وظيفة سينسيز ATP ، بالنظر إلى أن جميع المتغيرات خارج سينسيز ATP متساوية ، فإن نسبة P / O الأعلى تتوافق مع كفاءة أعلى للإنزيم. تسمح أدوات الفصل الكيميائية التقليدية ، مثل 2،4 دينيتروفينول ، بالتنفس بدون تخليق ATP وبالتالي تقليل نسبة P / O إلى الصفر ، عن طريق تبديد جهد البروتون عبر غشاء الميتوكوندريا. ومع ذلك ، فإن تدفق البروتونات عبر Fا into the matrix is also coupled – coupled to the phosphorylation of ADP, and mutations can alter the coupling which reduces the P/O ratio.


ATP formation during photosynthesis

Photosynthesis generates ATP by a mechanism that is similar in principle, if not in detail. The organelles responsible are different from mitochondria, but they also form membrane-bounded closed sacs ( thylakoids) often arranged in stacks (grana). Solar energy splits two molecules of H2O into molecular oxygen (O2), four protons (H + ), and four electrons.

This is the source of oxygen evolution, clearly visible as bubbles from underwater plants in bright sunshine. The process involves a chlorophyll molecule, P680, that changes its redox potential from +820 millivolts (in which there is a tendency to accept electrons) to about −680 millivolts (in which there is a tendency to lose electrons) upon excitation with light and acquisition of electrons. The electrons are subsequently passed along a series of carriers (plastoquinone, cytochromes b and f, and plastocyanin), analogous to the mitochondrial respiratory chain. This process pumps protons across the membrane from the outside of the thylakoid membrane to the inside. Protons (H + ) do not move freely across the membrane although chloride ions (Cl - ) do, creating a pH gradient. An ATP synthetase enzyme similar to that of the mitochondria is present, but on the outside of the thylakoid membrane. Passage of protons (H + ) through it from inside to outside generates ATP.

Hence, a gradient of protons (H + ) across the membrane is the high-energy intermediate for forming ATP in plant photosynthesis and in the respiration of all cells capable of passing reducing equivalents (hydrogen atoms or electrons) to electron acceptors.


Back for More

NADH and FADH2 are recycled back into their uncharged form after giving their electrons to the electron transport chain. NADH is converted back into NAD+, and FADH2 is converted back into FAD+. NAD+ and FAD+ are important because they can be recharged with more electrons and become NADH and FADH2, respectively. The recycling of NAD+ and FAD+ allows for a constant flow of electrons into the electron transport chain, which allows for constant pumping of protons into the intermembrane space.


شاهد الفيديو: Gradients ATP Synthases (أغسطس 2022).