• F₆ (від fraction 6)

• OSCP (oligomycin sensitivity conferral protein — «допоміжній білок чутливості до олігоміцину»)

• A6L (названий за назвою гену геному мітохондрій, що кодує цю субодиницю)

• If1 (inhibitory factor 1 — «інгібуючий фактор 1»)

Б удова і принцип роботи

Механізм синтезу АТФ комплексом F₁. АТФ — червона, АДФ і фосфат — рожеві, γ-субодиниця — чорна.

АТФ-синтаза розташовується на одній з мембран клітини і складається із зануреного в неї домена F₀ і виступаючого в матрикс або цитоплазму домена F₁, сполучених субодиницею γ. Віддалено фермент нагадує плодове тіло гриба (у зв'язку з чим в літературі по клітинній біології, особливо старій, АТФ-синтазу іноді називали «грибоподібним тілом»).

К омплекс F₁ має діаметр близько 9-10 нм і при руйнуванні γ «ніжки» може відділятися від мембрани, утворюючи т.з. F₁-АТФазу. F₁ складається з трьох субодиниць α і трьох β, які об'єднуються попарно і формують гексамер з трьома активними центрами. Конформації міняються при обертанні субодиниці γ разом з комплексом F₀. Рушійною силою в цьому процесі є перенесення протона, що каталізує доменом F₀. Таким чином, протон безпосередньо не бере участь в реакції конденсації АДФ і аніону фосфата. Слід зазначити, що сам α₃β₃ гексамер не обертається відносно «статору» a, оскільки він утримується субодиницею δ, у свою чергу зв'язаною з a субодиницею b («стеблом») комплексу F₁ (хоча зазвичай F₁ розглядається як нерухомий, в дійсності оба комплекса обертаються відносно один одного у протилежних напрямках).

Принцип роботи комплексу F₁ полягає спочатку у слабому зв'язуванні АДФ і фосфату з активним центром, який потім міняє конформацію і міцно зв'язує їх, із-за чого синтез АТФ йде мимоволі. При третій конформації АТФ виштовхується з активного центру.Сам синтез АТФ виявляється практично неенергоємним, практично вся енергія йде на звільнення утвореної молекули АТФ з реакційного центру.

Принцип роботи комплексу F₀ (що часто називають «найменшим у світі роторним електромотором») полягає в проникненні протону через канал в «статорі» (субодиниця a) до ділянки зв'язування в «роторі» (c-кільці). Для звільнення на іншій стороні мембрани протону потрібно вийти через інший канал в статорі, що зсунутий на деяку відстань, тобто для виходу ротору портібно обернутися відносно статора. Таким чином в роторі створюється горизонтальна різність потенціалів, що обертає його відносно статора^[1].

Фізіологічна роль

В ролі АТФази фермент застосовується анаеробнимі бактеріями для створення за рахунок енергії АТФ трансмембранного електрохімічного потенціалу протонів. Цей градієнт, у свою чергу, використовується для обертання джгутиків і для транспорту іонів всередину клітки.

У аеробних бактерій фермент в основному використовується для синтезу АТФ, причому електрохімічного потенціал для цього виробляється при функціонуванні електронтранспортного ланцюга. В цілому даний процес називається окислювальним фосфорилюванням. Він протікає і в мітохондріях еукаріотів, на внутрішній мембрані яких розташовані молекули АТФ-синтази, причому F₁-субодиниця знаходиться в матриксі, де і протікає процес синтезу АТФ з АДФ і фосфату.

АТФ-синтезу задіяна також в процесі фотосинтезу; вона локалізується на тілакоїдних мембранах хлоропластів, орієнтуючись F₁-субодиницею в строму.

K-19. Дихальний ланцюг мітохондрій

Процес окислення органічних кислот киснем відбувається в мітохондріях. Споживання кисню в якості окисника зазвичай називають внутрішньоклітинним диханням. Енергія, що отримується в результаті реакцій окиснення перетворюється в електрохімічну і в такому вигляді використовується для синтезу АТФ. Синтез АТФ з аденозиндифосфату та неорганічного фосфату, що відбувається завдяки енергії що описана вище називається окисним фосфорилюванням і дихальний ланцюг є частиною цього процесу.

Компоненти дихального ланцюга каналізують перенесення електронів від НАДН+Н⁺ або відновленого убіхінону(QH₂) на молекулярний кисень.

Дихальний ланцюг містить три білкові комплекси(I, III i IV), що вбудовані у внутрішню мембрану мітохондрії, та дві рухливі молекули транспорту – убіхон(кофермент Q) та цитохром С. Також як комплекс ІІ дихального ланцюгу може розглядатись сукцинатдегідрогеназа. АТФ-синтазу інколи називають комплексом V, хоча вона не приймає участі в процесі переносу електронів.

С – цитохром-с

Комплекси побудовані з великої кількості поліпептидів і містять ряд різноманітних окисно-відновних ферментів, що пов’язані з білками(флавін(FMN) у комплексах І і ІІ, залізно-сірчані центри в І, ІІ і ІІІ і групи гему(heme) в II, III i IV.

Електрони потрапляють у ланцюх різними шляхами. При окисненні НАДН+Н⁺ комплекс І переносить електрони через FMN і Fe/S центри на убіхон. Електрони, що утворюються при окисненні сукцинатів (сукцинати – солі і ефірі щавлевої кислоти), ацил-КоА та інших субстратів переносяться на убіхон комплексом ІІ через зв’язаний з ферментом ФАДН₂ або флавпротеїн. При цьому окиснена форма коферменту Q відновлюється в ароматичний убігідрохінон, що переносить електрони в комплекс ІІІ який постачає їх через два геми b, один Fe/S-центр та гем c₁ на білок цитохром С. Останній переносить електрони до комплексу IV, цитохром с-оксидазі.

Цитохром с-оксидаза, для реалізації окисно-відновних реакцій, має два центри, що містять мідь через які електрони нарешті поступають до кисню.

При відновленні О₂ утворюється сильний основний аніон О₂^-, що зв’язує два протони та переходить у воду. Потік електронів пов‘язаний з утвореним комплексами І, ІІІ і IV протонним градієнтом.

Перенесення протонів комплексами І, ІІІ і IV протікає векторно з матриксу у між мембранний простір. Всі комплекси І-V інтегровані у внутрішню мембрану мітохондрій, але ,як правило, не контактують один з одним так як електрони переносяться убіхромом(завдяки неполярному боковому ланцюгу вільно переміщається по мембрані) та цитохромом С(водорозчинний, міститься на зовнішній стороні внутрішньої мембрани).

Окиснення НАДН(NADH) комплексом І відбувається на внутрішній стороні мембрани, а також в матриксі, де відбувається цитратний цикл(окиснення ацетильних залишків (CH₃CO—) до(CO₂)) та β-окиснення – найважливіші джерела НАДН. Також в матриксі відбувається відновлення О₂ та утворення АТФ.

1 стадія:

2 стадія:

3-стадія:

К-20. Рух бактерій та електрохімічний потенціал протонів

Для того чтобы плавать, бактерии с помощью специальных электромоторов вращают свои жгутики [2]. Так, например, с поверхности бактерии E. coli наружу выступают приблизительно шесть жгутиков, каждый из которых представляет собой спиралевидную нить диаметром 15 нм и длиной 10 мкм.

Дыхание создает ∆µ H+ (или ∆µ Na+ ) за счет откачки ионов H+ или Na+ из бактериальной клетки во внешнюю среду. Соответственно вращение жгутика обеспечивается обратным потоком ионов H+ или Na+ из среды в клетку.

Сам по себе жгутик бактерии устроен просто: это жесткая полая трубка в форме, как правило, левой спирали длиной несколько микрон (иногда до 20), крепящаяся к базальному телу. Часто между базальным телом и жгутиком вставлен искривленный участок трубки, сделанный не из флагеллина (белка жгутика), а из так называемого белка крюка.

Базальное тело выполнено из нескольких белков, число которых не до конца ясно. Оно состоит из четырех основных деталей:

1) стержня, стыкующегося с крюком или прямо со жгутиком,

2) двух дисков, нанизанных на стержень,

3) группы белковых комплексов (от 10 до 16 в зависимости от вида бактерий), локализованных во внутренней мембране и окружающих расположенный в той же мембране диск М, и

4) белкового колпачка, утопленного в цитозоль. Кроме того, бактерии, имеющие кроме внутренней и внешнюю мембрану, располагают двумя дополнительными дисками, а также некими белковыми структурами, находящимися во внешней мембране вблизи базального тела.

Схематическое изображение бактериального мотора показано на рис. Мотор состоит из ротора, статора и некоторых вспомогательных белковых субъединиц, выполняющих роль подшипника, внутри которого вращается стержень ротора (об устройстве и механизмах работы бактериального электромотора см. подробнее [2]). Важными узлами бактериального электромотора являются два соосных диска (называемые М- и S- дисками), центры которых соединены с вращающимся стержнем, выступающим наружу. На периферии диска М находятся многочисленные копии белка, названного Мot B. Несколько копий белка Мot А, входящего в состав статора, встроены в мембрану и примыкают к краям дисков М и S. Механизм генерации силы, приводящей ротор во вращение, по-видимому, имеет ту же природу, что и в случае АТРсинтазы. Вращающий момент возникает за счет взаимодействия субъединиц Мot B с белковыми субъединицами Мot А, расположенными на статоре электромотора. Считается, что в состав субъединицы Мot А входят два несоосных протонных полуканала. Подобно протонному каналу АТРсинтазы, путь переноса протонов через мембрану проходит через протонные полуканалы субъединиц Мot А и Мot В [2]. В результате переноса протонов через белки Мot А и Мot В, направленного внутрь бактериальной клетки, происходит вращение ротора. Один полный оборот ротора связан с переносом через мембрану около 1000 протонов.