Ghép thẩm thấu và tổng hơp ATP

Sự ghép thẩm thấu và tổng hợp ATP
Một phần lớn năng lượng được lưu trữ trong adenosine triphosphate (ATP). ATP là năng lượng
tiền tệ phổ biến của hệ thống sống và được sử dụng để tăng cườmg nhiều hoạt động của tế bào.
Trong chương này, chúng tôi sẽ tập trung vào các cơ chế mà năng lượng photon được lưu trữ trong
ATP như thế nào, bao gồm cả lý thuyết hóa thẩm thấu Mitchell và các chi tiết về cấu trúc và chức
năng của enzym ATP synthase.
Khía cạnh hóa học của ATP và liên kết phosphoanhydride
Cấu trúc hóa học của ATP được cho trong hình. 8.1. Nó là một nucleotide, bao gồm một base
adenine, đường Ribose và ba gốc phosphat. Các liên kết giữa các nhóm phosphate được gọi là liên
kết phosphoanhydride và là liên kết được tạo ra và bị phá vỡ khi ATP được tổng hợp và bị phá
hủy. Các phân tử liên quan với một và hai nhóm phosphat là adenosine diphosphate (ADP) và
adenosine monophosphate (AMP).
Liên kết phosphoanhydride thường được gọi là liên kết phosphat "cao năng" và ký hiệu bằng ~.
Đôi khi nó được ví là những liên kết không ổn định, như ít bột thuốc súng sẵn sàng để nổ. Nhưng
điều này gây hiểu lầm, liên kết phosphoanhydride hoàn toàn là liên kết hóa học bình thường.
Chúng đại diện cho năng lượng tiềm năng tối thiểu, như được thể hiện trong công thức A10. Một
liên kết hoá học tiêu biểu O-P cần năng lượng khoảng 500 kJ mol
-1
để phá vỡ liên kết. ATP, theo
cách này, là một loại hóa chất rất ổn định ở dạng rắn và có thể được lưu trữ trong nhiều năm mà
không bị phân hủy. Ngay cả trong giải pháp, ATP tương đối ổn định, bởi vì năng lượng hoạt hóa
cho thủy phân cao, do đó, tỷ lệ tự phát của phản ứng thủy phân chậm. Tại sao sau đó liên kết này
thường được gọi là năng cao? Lý do là các phản ứng hóa học trong đó liên kết phosphoanhydride
được thủy phân bởi nước có biến thiên thế đẳng áp tiêu chuẩn âm, làm cho nó thành quá trình tự
phát.
Phản ứng hóa học do đó ATP được chuyển đổi thành ADP và phosphat được hiển thị trong công
thức 8.1
ATP
4-
+ H
2

O  ADP
3-
+ HPO
4
2-
+ H
+
Hình 8.1 Cấu trúc hóa học của ATP. Cấu trúc của ADP và AMP được sắp xếp theo việc thiếu một hay hai nhóm
phosphat tương ứng. Các ATP bị thủy phân để cho ADP, P
i
và H
+
được hiển thị ở phần dưới cùng của hình.
Đây là một phản ứng thủy phân, mà nước tấn công các liên kết phosphoanhydride, tạo thành ADP
và phosphat vô cơ (P
i
). Phản ứng này cũng được thể hiện trong hình 8.1. Điểm quan trọng là rất
nhiều liên kết bị phá hủy trong quá trình thủy phân. Biến thiên năng lượng tự do của phản ứng cho
biết về biến thiên năng lượng của tất cả các liên kết chứ không chỉ phản ánh liên kết
phosphoanhydride. Tổng số năng lượng phát ra khi các liên kết mới được hình thành nhiều hơn
năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết gốc, do đó, biến thiên năng lượng tự do tổng cộng là âm,
và là quá trình tự phát. Một số yếu tố phân tử đóng góp vào năng lượng tự do âm của thủy phân
liên kết phosphoanhydride. Các yếu tố này bao gồm sự ổn định cộng hưởng phụ của sản phẩm
chứa nhóm phosphate so với phosphate trong phân tử ATP, một số lượng thấp của lực đẩy tĩnh
điện của các sản phẩm ADP và P
i
so với nhiều điện tích cao ATP, và các hiệu ứng solvat hóa, mà
cũng ưu tiên các sản phẩm so với các tác chất
Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn của phản ứng thủy phân ATP là -30,5 kJ mol
-1

. Điều này thể hiện
biến thiên năng lượng tự do của phản ứng khi tất cả tác chất là ở nồng độ 1M và ở độ pH bằng 7.
Tất nhiên, nồng độ các loại trong công thức 8.1 trong lục lạp (hoặc bất kỳ tế bào hay bào quan)
không phải là giá trị thế đẳng áp tiêu chuẩn. Biến thiên thế đẳng áp của phản ứng thủy phân ATP
được cho bởi công thức 8.2, mà là cho các công thức A15 that áp dụng cho các phản ứng này nói
riêng. Nước và H
+
điều khoản đã được tích hợp vào các biểu hiện trạng thái tiêu chuẩn, do đó,
không xuất hiện trong Eq.8.2, mặc dù sẽ được chỉnh cần thiết cho các giá trị pH khác ngoài 7.
Hầu hết các tế bào duy trì nồng độ của ATP, ADP và Pi trong một phạm vi rất hẹp. ATP và Pi
đang ở nồng độ cao hơn nhiều so ADP. Giá trị tiêu biểu là 2.5mM cho ATP, 0.25mM cho ADP, và
2.0mM cho P
i
. Sử dụng công thức 8.2, trong thực tế biến thiên thế đẳng áp cho thủy phân ATP tại
298 K và độ pH 7 được tính toán là -52 kJ mol
-1
. Năng lượng tự do cần thiết cho sự tổng hợp của
ATP theo những điều kiện này là như vậy, 52 kJ mol
-1
.
Lịch sử về việc khám phá sự tổng hợp ATP
ATP đầu tiên được cô lập vào 1929 từ mô cơ. Nghiên cứu sau đó cho thấy rằng sự sản xuất ATP
được liên quan đến hô hấp và tiêu thụ oxi của tế bào. Vào 1940, Fritz Lipmann đề xuất rằng ATP
là tiền tệ năng lượng phổ thông trong tế bào. Lehninger Albert và Kennedy Eugene đưa vào 1948
mà thể hạt sợi là chỗ (của) sự photphorylat hoá thêm oxy, quá trình trong luồng điện tử nào từ
NADH đến oxi được ghép thành đôi đối với sự tổng hợp (của) ATP
Sự quang phosphoryl hóa được khám phá vào những năm 1950 bởi Daniel Arnon và những cộng
tác viên (Arnon, 1984). Lúc đó, thông cáo những hạt diệp lục đó đã có thể làm ATP được chào hỏi
với chủ nghĩa hoài nghi đáng kể. Sự Photphoryl hóa là sự suy nghĩ để là tỉnh loại trừ Của
Plastiosome, Mà ôxy hóa NADH tới NAD để làm ATP trong thời gian hô hấp có sử dụng ô xi.

Khả năng mà những hạt diệp lục đã có thể làm ATP cùng lúc khi họ là giảm (phép rút gọn) NADP
tới NADPH được xem xét như bên ngoài cọc rào
Việc phát triển sự hiểu biết về cách ATP được thực hiện ở cả hai lục lạp và ti thể có một lịch sử
đầy màu sắc và gô (Racker, 1976; Gibert và Mulkay, 1984; Nicholls và Ferguson, 1992). Trong
năm 1930, các con đường của glycolysis được thành lập, tiếp theo lộ trình khác của chuyển hóa
trung gian. Glycolysis sản xuất ATP bằng một quá trình được gọi là chất nền cấp phosphoryl,
trong đó ATP được tạo thành bởi một loại enzyme hòa tan tác động lên một loạt các hóa chất trong
tế bào chất của tế bào. Một ví dụ liên quan đến một trong những phản ứng trong glycolysis, trong
đó 1,3-reasts bisphosphoglycerate với ADP để tạo ATP và 3- phosphoglycerate, xúc tác bởi
enzyme phosphoglycerate kinase
Khi các nhà khoa học đầu tiên đã cố gắng để giải mã cơ chế sử dụng bởi ty thể và lạp lục để tạo
ATP, các chất nền cấp phản ứng phosphoryl được xem như các mô hình. Nỗ lực lớn đã được mở
rộng để cô lập trung gian phosphoryl, nhưng những nỗ lực này đã không thành công. học thuyết
khác đã được đưa ra, trong đó nó đã được pro-đặt ra rằng quá trình này được thúc đẩy bởi những
thay đổi nào đó enzym conformational. Làm thế nào-bao giờ hết, sự hiểu biết về cách thức mà
ATP đã được thực hiện đã không được tiến bộ, và đánh giá một nổi tiếng của tình hình bởi Efriam
Racker, một nhân viên nổi bật trong khu vực, tóm tắt các lĩnh vực: "Bất cứ ai không phải là triệt để
lẫn lộn chỉ doesn ' t hiểu được vấn đề ". Không phải duy nhất một nhà khoa học đang làm nghiên
cứu về quá trình này chịu. Đã được những gì cần thiết là một cách tiếp cận hoàn toàn mới. Mặc dù
nó không rõ ràng ở thời điểm đó, chỉ cần tiếp tục các phương pháp tiếp cận không sanh sản không
bao giờ được đi cùng để chứng minh hiệu quả.
photphoglyxerat, xúc tác bằng các photphoglyxerat enzym kinase.
Cuối cùng, vào năm 1961, một nhà hóa sinh vật học người Anh tên là Peter Mitchell đề xuất cơ
chế phosphoryl hóa, trong đó năng lượng tự do, được lưu giữ như gradient nồng độ pH và điện thế
qua màng bao quanh là một không gian kín, được chuyển thành liên kết phosphoanhdride cao năng
trong ATP. Ban đầu, các nhà khoa học khác bị bỏ qua Mitchell, vì ông đã nói một ngôn ngữ hoàn
toàn mới mà không có nghĩa là nhiều để htem. Sau đó, ông được cách gay gắt nhạo báng. Tuy
nhiên, Mitchell đã bắt đầu sản xuất bằng chứng hỗ trợ của lý thuyết của ông, càng có nhiều nhà
khoa học từ từ bắt đầu chú ý.
Bản chất của các giả thuyết hóa thẩm thấu của Mitchell, vì nó được biết đến, đó là chất mang điện

tử được sắp xếp một cách vector trong một màng sinh học về bản chất bất đối xứng (Mitchell,
1979). Khi các điện tử được chuyển giao từ chất mang đến, tiếp theo để proton được vận chuyển
từ một phía của màng đến khác trong một loạt các phản ứng liên kết, tạo ra một sự khác biệt pH
giữa các không gian nội thất và ngoại thất mà màng bao quanh. màng là bản chất không thấm để
proton và và phần lớn các loài khác tính phí. Việc chuyển giao proton và các quá trình khác cũng
tạo ra sự khác biệt điện thế trên màng, và nó là tổng của hai hiệu ứng, gọi chung là các động cơ
proton lực lượng, cung cấp nguồn năng lượng cho quá trình tổng hợp ATP. Mitchell cung cấp một
lời giải thích tự nhiên cho cơ chế hành động của uncouplers, một lớp hợp chất ức chế tổng hợp
ATP trong các hệ thống nguyên vẹn. Những hợp chất này đều là axit yếu lipophilic, như
dinitrophenol, DNP. Ông đề xuất rằng các hợp chất này làm tiêu tan các gradient proton bởi có khả
năng khuếch tán qua màng trong cả hai hình thức protonated và deprotonated. Mitchell đã không
cụ thể cơ chế hóa học do đó động lực trên đã transduced vào ATP, nhưng thay vì tập trung vào vai
trò của màng và proton liên kết và các quá trình chuyển điện tử. Ông cuối cùng đã thuyết phục hầu
hết những người hoài nghi và đã nhận được giải thưởng Nobel năm 1978. ý tưởng của ông hiện
nay phổ chấp nhận và cung cấp nền tảng của sự hiểu biết của chúng ta về cơ chế hình thành của
ATP trong bảo tồn năng lượng quang hợp và hô hấp, cũng như vô số một của màng tế bào khác -
các quá trình liên kết di động, chẳng hạn như giao thông vận tải đang hoạt động.
Năm 1966, kịch tính bằng chứng ủng hộ giả thuyết chemiosmotic được thu được bởi André
Jagendorf và đồng nghiệp của ông, trong một thí nghiệm cổ điển đã được thanh lịch tại đơn giản
của nó và tiết lộ trong kết quả của nó (Fig.8.2) (Jagendorf, 1967, 1998). Họ bị đình chỉ thylakoids
trong một bộ đệm 4 pH, mà đậm nét trong màng và khiến nội thất, cũng như bên ngoài, của
thylakoid để làm cho bằng nhau ở pH axit. Sau đó, họ nhanh chóng tiêm việc đình chỉ vào một giải
pháp 8 đệm pH, có bằng cách tạo ra một sự khác biệt pH của 4 untils qua màng thylakoid, với sự
tương đối có tính axít bên trong ra bên ngoài. Họ thấy rằng một lượng lớn ATP được hình thành từ
ADP và Pi của quá trình này, mà không có bất kỳ đầu vào ánh sáng hoặc vận chuyển điện tử. Kết
quả này hỗ trợ các dự đoán của các giả thuyết chemiosmotic. Phần lớn là vì những thử nghiệm
Jagendorf, các nhà khoa học làm việc trong quang hợp được chuyển đổi sớm để ý tưởng của
Mitchell.
Sự trình bày định lượng của lực phát động proton
Mitchell đề xuất rằng năng lượng có sẵn cho tổng số ATP tổng hợp, mà ông gọi là động lực proton

(∆p) là tổng của một điện thế hóa học proton và một điện thế transmembrane (Lowe và Jones,
1984). Hai thành phần của động lực proton từ bên ngoài của các màng tế bào vào bên trong được
đưa ra bởi Eq.8.3:
∆p = ∆Ψ - 59 ∆pH (8.3)
Các đơn vị của ∆p là mV. Trong Eq.8.3, ∆Ψ là sự khác biệt tiềm năng điện transmembrane (trong
mV) và ∆pH (hoặc phí - phố) là sự khác biệt đ ộ pH qua màng tế bào.Các portionality hằng của
pro-(ở 25oC) là 59mV trên một đơn vị pH, do đó, một sự khác biệt transmembrane độ pH của một
đơn vị tương đương với một tiềm năng của màng tế 59mV. Hình minh họa 8,3 định nghĩa của
những động lực proton.
Chúng ta có thể dễ dàng biện minh cho Eq.8.3 bởi đề cập đến các phương trình cơ bản của
nhiệt động lực học. Tiềm năng hóa học của một loài cụ thể được đưa ra bởi Eq.A11. Nếu chúng tôi
bao gồm một thuật ngữ bổ sung cho hoạt động điện trong phương trình này, Eq.8.4 là kết quả, nơi
zj là phí trên loài, Fis là hằng số Faraday, và ψ
j
là tiềm năngđiện (các sub- kịch bản j được sử
dụng để tránh nhầm lẫn với i (bên trong) và o (bên ngoài) Danh pháp được sử dụng dưới đây).
µ
j
= µ°
j
+ RTlna
j
+ z
j
Fψ
j
(8.4)
Sơ đồ giảm 8.3. Hình ảnh của màng tế b ào kèm theo một bao nhỏ proton và cơ động lực lượng tạo
ra bởi điện tử cùng và vận chuyển proton.
Bởi vì chúng tôi đang quan tâm nhất trong khả năng hóa chất cho các ion hyđrô, chúng tôi sẽ viết

lại phương trình này cho loài này, dẫn đến Eq.8.5:
µ
H
+
= RTln[H
+
] +Fψ
H
+
(8.5)