Tài liệu nang luong sinh hoc

NĂNG LƯỢNG SINH HỌC
Sơ lược về tổng hợp ATP
ATP (adenosine triphosphate) – là phân tử chứa năng lượng của tế bào, cung cấp cho nhiều
phản ứng sinh hóa như sự co cơ, quá trình sinh tổng hợp DNA và protein, …
ATP Synthase- là enzyme xúc tác cho quá trình tổng hợp ATP
/>Chu trình năng lượng từ tất cả các cơ thể sống đều tập trung vào phân tử trung tâm là ATP.
Năng lượng thu được từ quang hợp hoặc tỏa ra từ hô hấp đều được chuyển đổi thành ATP
để duy trì các hoạt động của tế bào, tạo ra tế bào và duy trì các hoạt động sống khác.
ATP được tạo ra thường xuyên và xem là đồng tiền năng lượng của tế bào. Enzym đảm
nhiệm quá trình tổng hợp ATP gọi là ATP synthase .
ATP Synthase
The 1997 Nobel Prize for Chemistry
Enzymatic mechanism
of ATP synthesis
Structure of
ATP Synthase
7/30/99
“Cho sự giải thích của họ về cơ chế enzym của quá trình tổng hợp ATP”
“For their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine
triphosphate (ATP)"
Paul D. Boyer
John E. Walker
ATP synthase
Vị trí của Enzyme?
Đây là enzyme màng
Tìm thấy ở :
Màng plasma tế bào vi khuẩn
Màng thylacoid của lục lạp
Màng bên trong ty thể của tế bào có nhân thật
Cấu tạo của ATP Synthase
Gồm có hai phần F0 và F1

ATPsynthase được cấu tạo gồm 2 phần F0 và F1
- Phần đầu F1 là phần ưa nước nhô ra từ màng nằm trong cơ chất, chứa đựng các phân tử
xúc tác, thực hiện sự tổng hợp và thuỷ phân ATP. Bao gồm 3 chuỗi α xen kẽ nhau và các
tiểu phần ß.
- Phần dải làm nhiệm vụ liên kết F1 vào Fo.
- F0 là một kênh proton, kéo dài hết độ dày của màng, là thành phần ghét nước nằm ở trên
màng. Thực hiện sự vận chuyển proton.
F0F1 ATP Synthase
Mô hình lắp ghép các đơn vị của ATPsynthase
Sơ đồ cấu tạo chi tiết của ATP synthase
là đứng yên (stator).ε, γ- Phần chuyển động (rotor) là vòng C và phần còn lại
.δ- Cột bên ngoài có 1 tiểu phần a, 2 tiểu phần b và tiểu phần
- F0 gồm vòng kênh proton có 10 đến 14 tiểu phần.
là loại P vòng.β và α-
), xuất hiện trong hoạt động của ATP synthase.ε, δ, γ3, β3, α- Phần F1 có 5 loại chuỗi
polypeptide (
Cấu tạo của cơ quan dẫn truyền proton
Cặp xoắn của màngα
Cấu trúc chưa quan sát trực tiếp
Subunit a
Proton xâm nhập vào
Proton đi ra
Chức năng của ATP synthase
Hoạt động của chuỗi vận chuyển điện tử đã bơm H+ vào màng trong. Những ion H+ tạo ra
điện thế gây nên sự chêch lệch thế năng điện thế. Khi động cơ quay mỗi lần 1 góc 120o
làm các tiểu phần của F1 tiếp xúc và tác động việc liên kết giữa ADP và Pi để tổng hợp
ATP.
Tổng hợp ATP từ ADP và Pi.
Đầu tiên là do có gradien ion Hydro
Ion Hydro (Protons ) được vận chuyển về một phía của màng

Sau đó protons được di chuyển trong kênh của động cơ enzyme bằng các tiểu phần protein
quay
Vai trò của ATP synthase?
Tạo ra ATP từ ADP and và photphat vô cơ (Pi)
ADP + Pi + ATP
Cân bằng chung là :
ADP3- + HPO42- + H+ + nH+ màng ngoài (+ charge)
ATP4- + H2O + nH+ màng trong(- charge)
Năng lượng từ sự vận chuyển ion Hydro qua màng theo gradient
Cơ chế tổng hợp ATP dựa trên quá trình photphorin hóa oxi hóa ở màng trong của ty thể.
Được xúc tác bởi enzim ATP synthase dựa trên cơ chế chênh lệch gradien nồng độ giữa
màng trong của ty thể và môi trường bên ngoài ty thể.
Dựa trên động cơ quay của F0, F1.
CƠ CHẾ HoẠT ĐỘNG CỦA ENZYM ATP SYNTHASE
ATP synthase
subunitγ
c ring subunit
subunitα
subunitβ
PhầnF1 có 5 loại chuỗi
), xuất hiện trong hoạt độngε, δ, γ3, β3, αpolypeptide(
củaATPase
α & are members ofβ
P-loop family
F0 gồm vòng kênh proton có
10-14 tiểu phần
‘a’ subunit gắn ở bên
Ngoài vòng
Cột bên ngoài có
1 a subunit,

2 b subunits, và
subunitδ
Phần chuyển động (rotor) là vòng C
là đứng yên (stator)εγvà phần còn lại
Enzym ATP synthases của lục lạp và vi khuẩn quang hợp tương tự như ATP synthases của
ty thể và vi khuẩn không quang hợp.
Mitochondrion
Chloroplast
E. coli
inner membrane
matrix
ATP synthase
inter-membrane space
thylakoid membrane
lumen
stroma
ATP synthase
“Động cơ” quay mỗi lần 120°
Do các tiểu phần của F1 tiếp xúc và tác động Cấu trúc thay đổi thuận lợi cho sự liên kết
giữa ADP và Pi để tạo ra ATP
Mỗi tiểu phần diễn ra theo 3 giai đoạn
Gđ 1 : Giải phóng ATP
Gđ 2 : ( mở ) – ADP và phân tử Pi xâm nhập vào tiểu phần
Gđ 3 : ( đóng ) – Tiểu phần tiếp xúc để tạo liên kết phân tử và tạo ra ATP
Mở cấu trúc
Cấu trúc mở,
ADP, Pi liên kết yếu
Cấu trúc đóng:
ADP, Pi liên kết chặt,
tạo

ATP
Mở cấu trúc:
ATP được giải phóng, chu trình bắt đầu
Proton chuyển động qua màng gây ra chuyển động quay
Proton xâm nhập vào nửa kênh cytosolic, trung hòa Asp
Asp vào nửa kênh matrix
Proton vào matrix, khôi phục hê thống
Con đường Proton xuyên qua màng
Nửa kênh
Cytosolic
Nửa kênh
Matrix
Những băng chuyền ty thể
Hai thành phần của
động lực chuyển động proton (pmf)
F0 is a H+ channel, F1 is catalytic
Enzym tổng hợp ATP là máy quay nhỏ nhất thế giới,
Tổng hợp ATP
Trong tế bào, 3 H+ tương đương 1 ATP (In cell, 3 H+ flow per ATP produced):*
3 ATP→ 10 H+ pumped →2 e- from NADH
2 ATP→ 6 H+ pumped →2 e- from FADH2
Enzym ATP synthase có thể hoạt động theo chiều hướng khác :Chiều hướng ngược lại
hoạt động như bơm proton
(ATP synthase can work in either direction; working backwards it acts as a proton pump)
Chiều hướng hoạt động theo tỷ lệ nồng độ ATP và ADP (Direction depends on Vm and
ratio of ATP:ADP.)
ATP synthase là bơm proton làm việc theo kiểu hai chiều
Quan sát chuyển động quay của ATPase
3 của ATP ase cố định trên bề mặtβ3αSáu
Mẫu huỳnh quang và

mối liên quan đến
subunitγ
Quan sát quay dưới KHV
huỳnh quang của quá
Trình thủy phân ATP
Sợi tơ Actin
F0F1 ATPase/ATP synthase (F-type)
10/26/05
31
Fig. 11-39
Fig. 11-40
Electron
Transport
Study
Guide
Số liệu đáng lưu ý về ATP synthase
Bao gồm 22722 nguyên tử
23211 liên kết để kết nối 2987 nhóm amino acid
120 chuỗi helix và 94 tấm (sheet units )
Tạo ra khoảng 100 kg ATP mỗi ngày ( ở người)
Là một loại enzym xuất hiện sớm nhất trước các enzyme quang hợp và hô hấp
Động cơ quay nhỏ nhất được biết ( chỉ được quan sát dưới KHV điện tử )
Chúng ta có thể viết phản ứng hoá học cho việc tạo thành ATP như sau:
a) Trong hoá học: ADP + Pi + energy ----> ATP
b) Được đọc là: Adenosine diphosphate + Phosphate vô cơ + năng lượng sẽ cho Adenosine
Triphosphate.
Thật hợp lý khi cho rằng giữa ATP và pin sạc(recharged batteries) giống nhau về chức
năng. Pin được sử dụng, nhường thế năng (potential energy) cho đến khi tất cả được
chuyển sang động năng (kinetic energy) và nhiệt năng (heat/unusable energy). Pin sạc chỉ
sử dụng được sau khi mà năng lượng được nạp vào. Vì vậy, ATP là dạng năng lượng cao

năng (giống như phin sạc) trong khi ADP là dạng năng lượng thấp (giống như pin đã sử
dụng). Khi nhóm phosphate cuối cùng (terminal phosphate) hay nhóm phosphate thứ ba
( third phosphate) bị mất, ATP trở thành ADP (Adenosine diphosphate; di = hai), và năng
lượng dự trữ được giải phóng sử dụng (utilize) cho một số quá trình sinh học. Việc thêm
năng lượng (cộng với một nhóm phosphate) đã “sạc-nạp” ADP thành ATP (giống như việc
pin được sạc thêm năng lượng vào).
ATP được tổng hợp như thế nào ?
Hai quá trình chuyển đổi ADP thành ATP:
1)Sự phosphoryl mức độ cơ chất (substrate-level phosphorylation); và 2) Tổng hợp hoá
thẩm ATP (chemiosmosis).
Sự phosphoryl mức độ cơ chất xảy ra trong tế bào chất (cytoplasm) khi một enzyme gắn
một nhóm phosphate thứ ba vào ADP (cả ADP và nhóm phosphate đều là cơ chất trong sự
hoạt động của enzyme). Nó được minh hoạ trong hình 3.
Hình 3. Enzyme và s t o thành c a NADH và ATP. nh l y t Purves et ự ạ ủ Ả ấ ừ
al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, b i Sinauer Associates ở
(www.sinauer.com) và WH Freeman (www.whfreeman.com), s d ng v iử ụ ớ
s cho phép.ự