Перетворення енергії в живих системах. Шляхи синтезу АТФ у клітині.

1 етап - підготовчий: складні органічні речовини під дією травних ферментів розпадаються на прості, при цьому виділяється тільки теплова енергія. Білки -> амінокислоти. Жири-> гліцерин і жирні кислоти. Крохмаль -> глюкоза
II етап-гліколіз (безкисневий): здійснюється в гіалоплазмі, з мембранами не пов'язаний, в ньому беруть участь ферменти; розщепленню піддається глюкоза. У дріжджових грибів молекула глюкози без участі кисню перетворюється в етиловий спирт і діоксид вуглецю (спиртове бродіння):
В інших мікроорганізмів Г. може завершуватися утворенням ацетону, оцтової кислоти і т, д. У всіх випадках розпад однієї молекули глюкози супроводжується утворенням двох молекул АТФ. У ході безкисневого розщеплення глюкози у вигляді хімічного зв'язку в молекулі АТФ зберігається 40% анергії, а решта розсіюється у вигляді теплоти.
III етап-гідроліз (кисневий): здійснюється в мітохондріях, пов'язаний з матриксом мітохондрій і внутрішньою мембраною, в ньому беруть участь ферменти, розщепленню піддається молочна кислота: СзН6Оз + ЗН20 -> 3СО2 + 12Н. С02 виділяється з мітохондрій у навколишнє середовище. Атом водню включається в ланцюг реакцій, кінцевий результат яких - синтез АТФ.

Ці реакції йдуть в такій послідовності:
1. Атом водню Н з допомогою ферментів-переносників надходить у внутрішню мембрану мітохондрій, що утворить крісти, де він окислюється: Н-е -> H +

2. Протон водню H + (катіон) виноситься переносниками на зовнішню поверхню мембрани крист. Для протонів ця мемрана непроникна, тому вони накопичуються в міжмембранну просторі, утворюючи протонний резервуар.
3. Електрони водню переносяться на внутрішню поверхню мембрани крист і тут же приєднуються до кисню за допомогою ферменту оксидази, утворюючи негативно заряджений активний кисень (аніон): O2 + е -> O2-
4. Катіони й аніони по обидві сторони мембрани створюють різнойменно заряджене електричне поле, і коли різниця потенціалів досягне 200 мВ, починає діяти протонний канал. Він виникає в молекулах ферментів АТФ-синтетаз, які вбудовані у внутрішню мембрану, що утворить Крісті.
5. Через протонний канал протони водню H + спрямовуються всередину мітохондрій, створюючи високий рівень енергії, велика частина якої йде на синтез АТФ з АДФ і Ф (АДФ + Ф -> АТФ), а протони H + взаємодіють з активним киснем, утворюючи воду та молекулярний 02: (4Н + +202- -> 2Н20 +02)
Таким чином, О2, що надходить у мітохондрії в процесі дихання організму, необхідний для приєднання протонів водню Н. При його відсутності весь процес в мітохондріях припиняється, так як електронно-транспортна ланцюг перестає функціонувати. Загальна реакція III етапи:
(2СзНбОз + 6Oз + 36АДФ + 36Ф ---> 6С02 + 36АТФ + +42 Н20)
У результаті розщеплення однієї молекули глюкози утворюються 38 молекул АТФ: на II етапі - 2 АТФ і на III етапі - 36 АТФ. Утворилися молекули АТФ виходять за межі мітохондрії і беруть участь у всіх процесах клітини, де необхідна енергія. Розщеплюючись, АТФ віддає енергію (одна фосфатна зв'язок укладає 40 кДж) і у вигляді АДФ і Ф (фосфату) повертається в мітохондрії.
Синтез АТФ:
При гліколізі: Глюкоза + 2НАД + + 2АДФ + 2Фн = 2НАД • Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H2O + 2Н +.
На етапах перетворення фосфоенолпіруват в піруват (піруваткіназа)
Цикл Кребса:
При перетворенні сукцініл-CoA + GDP + Pi = сукцинат + CoA-SH + GTP (сукциніт кофермент А синтазою) = 1 АТФ
Ізоцітрат + NAD = Оксалосукцінат + NADH + H + (ізоцитратдегідрогеназа) = 2, 5 АТФ
α -кетоглутарат + NAD + + CoA-SH = сукцініл-CoA + NADH + H + + CO (альфакетоглутаратдегидрогеназ) = 2, 5 АТФ
Сукцинат + убіхінон (Q) = фумарат + убіхінол (QH2) (сукцинатдегідрогеназа) = використовується FAD як простетична група (FAD-> FADH2 на першій стадії реакції) у ферменті, утворюється еквівалент 1.5 ATP
L-малат + NAD = оксалоацетата + NADH + H + (малатдегідрогеназа) утворюється NADH (еквівалетно 2.5 ATP)
Аденозінтріфосфатсінтамза (АТФ-сінтамза) - клас ферментів, що синтезують АТФ з АДФ і неорганічних фосфатів з витратами енергії. Цю енергію АТФ-синтетаза часто отримує від протонів, які проходять поелектрохімічному градієнту, наприклад з просвіту хлоропласта в його строму, або ж з міжмембранну простору в матрикс мітохондрії.

Реакція синтезу така: АДФ + Фн → АТФ + H2O
Антибіотик олігоміцін пригнічує активність FO-компонента АТФ-синтази.
АТФ-синтазних комплекс FOF1 за формою нагадує плодове тіло гриба, у якого компонент F1 - це капелюшок, ніжка - це γ -субодиниця компонента F1, а «коріння» гриба - компонент FO, заякорені в мембрані. Синтез АТФ пов'язаний зі змінами конфігурації АТФ-синтази, що викликаються обертанням γ -субодиниці, так званий механізм зміни ділянки зв'язування (англ. flip-flop).

Механізм дії АТФ-синтази. Кристал F1 складається з перемежованих α -і β -субодиниць (по 3 кожного виду), розташованих як часточки апельсина навколо асиметричної γ -субодиниці. Відповідно до прийнятої моделі синтезу АТФ, градієнт електричного поля, спрямований поперек внутрішньої мітохондріальної мембрани і зумовлений ЕТЛ, змушує протони проходити крізь мембрану через АТФ-синтазних компонент FO. Частина компонента FO (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 3β 3-ділянки компонента F1. Це призводить до того, що три ділянки каталізу, що зв'язуються з нуклеотидами, зазнають змін у конфігурації, що призводять до синтезу АТФ.

Основні субодиниці (α 3β 3) компонента F1 з'єднані додатковою бічною ніжкою з нерухомою ділянкою FO, що запобігає їх обертання разом з γ -субодиницею. Структура непошкодженоъ АТФ-синтази з низькою точністю виявлена ​ ​ за ЕКМ. Показано, що бічна ніжка - це гнучка перемичка, схожа на канат, намотуються на комплекс під час його роботи.
У певних умовах каталітична реакція може протікати у зворотному напрямку, при цьому гідроліз АТФ викликає прокачування протонів через мембрану. У механізмі зміни ділянки зв'язування задіяний активна ділянка β -субодиниці, послідовно проходить через три стани.
У «відкритому» стані АДФ і фосфат підходять до активної ділянки. Потім білок охоплює ці молекули і вільно зв'язується з ними («вільний» стан). Наступна зміна форми білка притискає молекули один до одного («тісна» стан), що призводить до формування АТФ. Нарешті, активну ділянку знов переходить в «відкрите» стан, звільняє АТФ і пов'язує таку молекулу АДФ і фосфату, після чого цикл виробництва АТФ повторюється

Фізіологічне значення:
Великі концентрації АТФ змушують її розщеплювати АТФ і створювати трансмембранний протонний градієнт. Таке використання АТФ-синтази відмічено у анаеробних бактерій, які не мають електронної транспортного ланцюжка. Ці бактерії застосовують гідроліз АТФ для створення протонного градієнта, який задіяний в русі джгутиків і клітинному харчуванні.
У аеробних бактерій у нормальних умовах АТФ-синтетаза, як правило, працює в зворотному напрямку, виробляючи АТФ за рахунок енергії електрохімічного потенціалу, створюваного електронної транспортної ланцюжком. У цілому даний процес називается окислювальним фосфорилюванням. Він протікає і в мітохондріях еукаріотів, на внутрішній мембрані яких розташовані молекули АТФ-синтази, причому компонент F1 знаходиться в матриксі, де і протікає процес синтезу АТФ з АДФ і фосфату.