H+-atkarīgā ATP sintāze:

H+ATP

• veic atgriezenisku protondzinējspēka enerģijas pārvēršanu ATP makroerģiskās saites enerģijā

Ar elektronu transportu sajūgto ATP sintēzi (fosforilēšanu) nodrošina H+ plūsma pa protondzinējspēka gradientu caur ATP-sintāzes kanālu

Sajūgšana: ATP sintēze ir atkarīga no elpošanas

elpošanas kontrole

Sajūgšana: elpošana ir atkarīga no ATP sintēzes

Elpošanas kontrole

Enerģijas atbrīvošana Red-oks reakcijas elpošanas ķēdē

Enerģijas pārveidošana Transmembrānas jonu gradients

Enerģijas akumulēšana ATP sintēze

Apejot elektronu transportu:

ATP sintēzi iespējams panākt arī ar mākslīgi inducētu protondzinējspēku

• elektronu mikroskopā F1 uz mitohondriju iekšējās membrānas ir redzamas kā “sēņveida struktūras”

• no membrānas atrautas F1 daļiņas spēj veikt ATP hidrolīzi, bet ne bruto ATP sintēzi

Izotopu apmaiņas eksperimenti liecina, ka F1 subvienībā lokalizētajos aktīvajos centros ATP hidrolīzes reakcija ir līdzsvarā ar ATP sintēzi, ar ΔG’0 tuvu 0: ATP resintēze pēc hidrolīzes ar H2

18O notiek spontāni – rezultātā Pi grupā visi skābekļa atomi tiek aizvietoti ar smagāko izotopu.

Tas ir tāpēc, ka aktīvais centrs saista ATP labāk nekā ADP un nobīda ATP hidrolīzes/sintēzes līdzsvara konstanti.

Enerģijas pievadīšana nepieciešama nevis ATP sintēzei aktīvajā centrā, bet gan gatavās ATP molekulas atbrīvošanai !

F1

F0

“Crosslinking” pētījumi liecina, ka H+-atkarīgās ATP sintāzes funkcionēšanai nepieciešams noteiktu subvienību mehānisks kustīgums attiecībā pret citām subvienībām

Stators

Rotors

Rotora griešanās ātrums intaktos mitohondrijos var sasniegt 6000 rpm

Intervāls starp attēliem – 133 msec

Redzams, ka secīgi atkārtojas trīs ar fluorescento krāsvielu iezīmētā aktīna filamenta stāvokļi

H+

H+H+

H+

H+

H+H+ H+

H+ H+H+

H+

H+H+

H+

H+

H+ H+

H+

H+H+ H+

H+

H+

H+ H+

H+H+

H+

H+

H+

H+

matrix

H+ saistās

pie c subvienības Asp 61

“matadatas” formas c subvienība

viena no a subvienības transmembrā-nas spirālēm

Iespējamais rotācijas mehanisms

Piesaistot H+ pie Asp 61, spirāle pagriežas un, būdama “sazobē” ar vienu no a subvienības spirālēm, pagriež visu rotoru

Iespējamais rotācijas mehanisms

Tight

Open

Loose

Rotational catalysis is key to binding-change mechanism

Saistīts ADP

Saistīts ATP

Tukšs

Gamma subvienība rotē; jebkurā no tās stāvokļiem katrs no 3 aktīvajiem centriem ir savā konformācijā

Rotoram pagriežoties par 120o, atbrīvojas 1 ATP

ATP sintēzes stehiometrija mitohondrijos

No termodinamikas viedokļa:No termodinamikas viedokļa:Ja H+= 200 mV jeb 19,2 kJ uz molu H+,un Gp= 57 kJ uz molu ATP,

tad H+/ATP = 3 līdz 4

No mehanistiskā viedokļa:No mehanistiskā viedokļa:Ja pagriežoties rotoram par 120o sintezējas 1 ATP,un rotorā ir 8 – 12 protonu pārnesošu c subvienību,

tad H+/ATP = 3 līdz 4

Eksperimentālie mērījumi:Eksperimentālie mērījumi:Ja pārnesot 2 e- no NADH uz O, H+ veidošanā piedalās 10 H+,un vienlaikus tiek sintezētas 2.5 – 3 molekulas ATP, 3 līdz 4tad H+/ATP =

ATP sintēzes stehiometrija hloroplastos

No mehanistiskā viedokļa:No mehanistiskā viedokļa:Ja pagriežoties rotoram par 120o sintezējas 1 ATP,

un rotorā ir 14 protonu pārnesošu c subvienību (piem. spināta H+-ATP sintāzei),

tad H+/ATP = ≈ 4

Eksperimentālie mērījumi:Eksperimentālie mērījumi:Ja pārnesot 4 e- no H2O uz NADP+ (un atbrīvojot vienu O2 molekulu), H+ veidošanā piedalās 12 H+ (4 no Mn kompleksa un 8 no b6f),

un vienlaikus tiek sintezētas aptuveni 3 molekulas ATP,

≈ 4tad H+/ATP =

H+ piesaistīšanās / disociācija pie c subvienības

c gredzena un subvienības rotācija

secīgas L – T – O konformāciju izmaiņas aktīvajos centros subvienībās

Energosajūgšana ATP sintāzē:

Protonatkarīgā ATP sintāze darbojas abos virzienos:

• ja protondzinējspēks ir pietiekami liels, tā sintezē ATP, izmantojot protondzinējspēka enerģiju

• ja H+ ir mazs – tā hidrolizē ATP, lai uzturētu protondzinējspēku – darbojas kā protonus pumpējoša ATPāze

• ja elektronu transports neuztur H+ (piem. daudzās anaerobajās baktērijās) tad H+ATPāze ir galvenais protondzinējspēka uzturētājs