Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 257
Текст из файла (страница 257)
АВР) для восстановления чаше чем раз в минуту, и клетка поддерживает концен грацию АТР в 10 раэ большую, чем концентрация АРР. Как обсуждалось в главе 2, биосинтетические ферменты часто каталиэирухп энергетически невыгодные реакции путем их сопряжения с энергетически выгодным Таблица 14.1. Выходы продуктов окисления сахаров и жиров В цнтозоле (глинолиз) 1 глюкоза -з 2 пируаат + 2 МАОН + 2АТр В митохондрии (пируаатдегидрогммза и цикл лимонной кислоты) 2 пируеат'-ь 2 ацетип-КоА+ 2 РАОН 2 вцетил-КоА-+ б МАОН+ 2 уАОНз+ 2 бТР Суммарный вьзход н аигголоидрии . 2пируаат-+8 МАОН+ 2 Г + 2 АСТР ;= В митохондрии (оМисление жирных кислот и цикл лимонной кислоты) 1 пальмитоил-КоА -з В ацетил-КоА+ У МАОН + УТАОН В апатия-КоА -ь'24 МАОН+ В гАОН + 8 6Тр -СуМмарнЫй вьоюдн мнън)гнцгузни 1 пальмитоил КоА -'+ 31 МАОН+ 15 рАОН + 8 бТР 1268 Часть!Ч. Внутренняя организация клетки гидролизом АТР (см.
рис. 2.59). Таким образом, пул АТР используется для обеспечения энергией клеточных процессов, так же как аккумулятор используется для питания электрических двигателей. Если заблокировать активность митохондрий, уровень АТР упадет, и клеточный аккумулятор разрядится; в конце концов, энергетически невыгодные реакции перестанут протекать, и клетка погибнет. Яд цианид, блокирующий электронный транспорт во внутренней мембране митохондрий, действует именно таким образом. Может показаться, что клеточные процессы остановятся, только когда концентрация АТР достигнет нуля; но на самом деле жизнь более требовательна: она зависит от поддержания клеткой концентрации АТР, значительно превышающей концентрации АДР и Рс Для того чтобы обьяснить это явление, нам необходимо рассмотреть несколько простейших принципов термодинамики.
14.1.10. Большая отрицательная величина Ьсз гидролиза АТР делает АТР полезным клетке В главе 2 мы ввели понятие свободной энергии О. Изменение свободной энергии реакции, Л0, определяет, будет ли реакция протекать в клетке. В разделе 2.2.9 мы показали, что Л0 данной реакции может быть представлено как сумма двух слагаемых: первое, носящее название изменение стандартной свободной энергии, Л0', зависит от свойств взаимодействующих молекул; второе зависит от их концентраций. Для простой реакции А -» В: Л0 = Л0'+йТ1п— ~В) [А)' где [А) и [В) — концентрации А и В, а1п — натуральный логарифм.
Таким образом, Л0' — это справочная величина, которая равна Ь0 в случае, если концентрации А и В равны (1и 1 = О). В главе 2 АТР описан как основная «активированная несущая энергию молекула» в клетке. Большое, выгодное изменение свободной энергии (большое отрицательное Ь0) при ее гидролизе используется посредством сопряжения реакций, для обеспечения энергией других химических реакций, которые в противном случае не пойдут (см.
стр, 125 — !Зб). При гидролизе АТР образуется два продукта — АРР и неорганический фосфат (Р,); таким образом, гидролиз АТР относится к типу А — » В + С, для которого, как описано на рис. !4.!8, справедливо соотношение Ас = А0'+ Кт 1п [ [А) Когда АТР гидролизуется до АРР и Р, в нормальных для клетки условиях, изменение свободной энергии составляет примерно от — 11 до — 13 ккал/моль (от — 46 до — 54 кДж/моль). Это очень выгодное Ь0 зависит от высокой концентрации АТР в клетке по сравнению с концентрациями АРР и Рг Когда концентрации АТР, АРР и Р., одинаковы и равны 1 молы'л (так называемые стандартные условия), Л0 гидролиза АТР совпадает с изменением стандартной свободной энергии Л0, которое составляет всего — 7,3 ккал/моль ( — 30,5 кДж/моль). Если концентрация АТР значительно ниже, чем концентрации АРР и Ре Л0 становится равным нулю.
м х ав Ьх й о Х О о 3- х о й ' о О Х Х Р а х н О й Сс в й 'О с н Х к ха Я х >, н 'Х Х в й > о й й О йс й й Х О х о О С а с й Х О й й а й О. % л о ОХ Х ФХ Б3 До а о с и:- х й ф ~о з 6 Х ЫЯ $ Х ХЛ О а Ф О. о х о Х О ю л з1 о $ ОО Х% о О. х о н л Х О О. а О Х О й О :"с й йс х О % В 63 И И а < О а а о Х $ сс сс о О Х с Х '"4 х а 3- к Х й х 3 О. Ф х о к ха оЯ й х й й Х й 33 В С:.
Х Х ОХ С3 О хо Я о И Х Ф с а Х К Х о нй -Ь ср Ф 3ЬХ 33 8 Х йс -Х й 36 Ф х, О. Л О О. х в йрх й 3. 33 О. й,х а3о Х в!О о И «3 3О Ф -О Я Н 3- х рс Ф йсй а3.3 и 3.$ оа~ 36 й а свБ л- „й охс с а Х н'2 3О 63 36 й к 53" О к а Офс 33 х а а 3 Оо х й а И у~ч о Оа х Х ~В "4 о й Х 36 3: Х й йнс йод н аа Х б 66 м Ю 3 н Х а Х О й)3 ИЗ О О< ~ Ц к О о" А~ $З *'О; Ф й а хо С3 о и с( х а 35 с Х .
3 Хо й'% Х ~ йБ Х 5 ао о х Й$ 1 ' Й ь сх ~ 3 й а Ф о а Х 3Х $ 33 $ Х ф Х Ф Я л С\ а 36 й О. 36 3" Йс Х С3 Х н о х а й 36 Х $ ! к к Х й х в 63 о 63 Х й о а с а х а х й о о '6 Х 63 хй -Р нх й. 3 СЧ с в к Х О с в х а с О й 63 х х к а Х ~$ л со О !Ф о а ~ н с мн с й л р Б Я Х х а а с в о л 1270 Часть!Ч. Внутренняя организация клетки При этом скорость объединения АРР и Р, с образованием АТР будет равна скорости распада АТР на АОР и Р, Другими словами, когда ЛС = О, реакция находится в равновесии (см. рис. 14.18).
Именно ЛС, а не ЬС', определяет, насколько далеко реакция находится от равновесия, и может ли она быть использована в качестве движущей силы других реакций. Поскольку эффективное превращение А()Р в АТР в митохондриях поддерживает высокую концентрацию АТР по сравнению с АПР и Ре реакция гидролиза АТР в клетках находится вдали от равновесия, и, соответственно, ЛС сильно отрицательно. Без такого значительного нарушения равновесия гидролиз АТР не мог бы использоваться для смещения равновесия других реакций в клетках; например, многие биосинтетические реакции протекали бы в обратном направлении при низкой концентрации АТР. 14.1 11. АТР-синтаза может работать в обратном направлении для гидролиза АТР и накачки Н' Помимо использования тока Н' по электрохимическому протонному градиенту для синтеза АТР, АТР-синтаэа также может работать в обратном направлении: она способна использовать энергию гидролиза АТР для накачки протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану (рис.
14.19). Таким образом, она представляет собой обратимую сопрягающую систему, преобразующую друг в друга энергии электрохимического протонного градиента и химических связей. Направление ее работы в каждый момент времени зависит от равновесия между крутизной электрохимического протонного градиента и локального ЬС гидролиза АТР, как мы объясним ниже.
Точное число протонов, необходимое для синтеза одной молекулы АТР, зависит от числа субъединиц в кольце трансмембранных белков, образующих основание ротора (см. Рис. 14.15). Однако, для того чтобы проиллюстрировать принцип, предположим, что одна молекула АТР синтезируется АТР-синтазой при прохождении через нее 3 протонов.
В данном случае будет ли АТР-синтаза работать в направлении синтеза АТР или его гидролиза, зависит от точного соотношения между выгодным изменением свободной энергии при переносе трех протонов через мембрану в матрикс, ЛСзн, (которое меньше нуля), и невыгодным изменением свободной энергии синтеза АТР в матрнксе, ЛС,„„,„, дтр (которое больше нуля). Выше мы сказали, что величина ЬС„„„, дтр зависит от точных концентраций трех реагирующих веществ; АТР, А()Р и Р, в матриксе митохондрий (см. рис.
14.18). Величина ЛС. „, с другой стороны, прямо пропорциональна величине протондвижугцей силы через внутреннюю мнтохондриальную мембрану. Следующий пример объяснит, как соотношение между этими двумя изменениями свободной энергии влияет на АТР синтазу. В подписи к рисунку 14.19 сказано, что единственный Н', переходящий в матрикс по электрохнмическому градиенту в 200 мВ, высвобождает 4,8 ккал,'моль (19.2 кДж/моль) свободной энергии, а движение трех протонов высвобождает в три раза больше свободной энергии (ЛС „, = — 13,8 ккал/моль; 57,7 кДж/моль).
Таким образом, если протондвижущая сила остается на постоянном уровне 200 мВ, АТР-синтаза синтезирует АТР до тех пор, пока соотношение АТР к А()Р и Р., не достигнет величины, при которой ЛС„,. дтр равно +13,8 ккал/моль (57,7 кДж/молгн здесь ЛС,„„,. дтр + ЛС „, = О). После этого суммарный синтез нли гидролиз АТР АТР-синтазой становится равным нулю.
14/1. Митр)к)н)гйзия 1471 эб(~ й)~~ "учФ йэ(з "'~У т Ф ):.й )г-;,й фн статор Р,+ в) з'.н4(йтустай)где . б) .:;:.:))й))(з(~)()9)(уфФ," . Рис. 14.19. АТРч:интаза — это обратимая сопрягающая система, способная преобразовывать энергию злектрохимическою протонного градиента в энергию химических связей, и наоборот. АТР синтаза может либо (а) синтезировать АТР за счет протондвижущей силы, либо (б) накачивать протоны против их электро- химического градиента за счет гидрол ива АТР.
Направление работы в каждый момент времени зависит от суммарного изменения свободной энергии (ЬП) сопряженных процессов транслокации Н'через мембрану и синтеза ЯТР из АОР и Рг Измерения крутящего момента АТР-синтазы при гидролизе АТР показало, что синтаза способна качать протоны в бо раэ эффективнее, чем дизельный двигатель той же массы.
Изменение свободной энергии (Лб) гидролиза АТР зависит от концентраций трех реагирующик веществ: АТР, АОР и Р, (см рис. 14.18); Ьб синтеза АТР является отрицательной по отношению к ней величиной Лб переноса протона через мембрану пропорциональна протондвижущей силе. Коэффициентом пересчета между ними служит фарадей. Таким образом, Лбн, = -0,023 (протондвижущей силы), где Ьб,„ выражается в ккал/моль, а прото ндвижущая сила — в мВ.
При зле ктрохимическом протонном градиенте (протондвижущей силе), равном 200 мВ, обк, = -4,6 ккал/моль (-19,2 кдж/моль). Предположим, что в результате протекания требующих затраты энергии реак ций в цитозоле вдруг прои:юшел гидролиз болыпого количества АТР, и соотношение АТР:АТ)Р в матриксе упало. Теперь болыпая величина ЛСг,я„з „тр уменьшится (см. рис.
14.1(т), и АТР-синтаза снова начнет синтезировать АТР, для того чтобы восстановить первоначальное соотношение АТР:А))Р. С другой стороны, если протондвижущая сила вдруг уменьшится и будет постоянно равна 1бО мВ, Ь6 и, станет равно — 11,0 ккал ' моль ( — 46 кДж моль). В результате АТР синтаза начнет гидролизовать часть АТР матрикса до тех пор, пока не будет достипгуто новое равно несное соотношение АТР, А))Р и Р, (при котором ЬСг„~т тр = +11,0 ккал моль, нли +4б кДж моль), и так далее. У многих бактерий АТР синтаза постоянно меняет направление работы при переключении между азробным и аназробным метаболизмом, как мы увидим ниже.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
