ATP synthase

Bộ môn: NĂNG LƯỢNG SINH HỌC
Đề tài: ATP SYNTHASE



GVHD: TS. VÕ VĂN TOÀN
Học viên: ĐÀO THI ĐỀU
(Lớp: Sinh học thực nghiệm – khóa XII
ATP SYNTHASE LÀ GÌ?
ATP synthase là một thuật ngữ chung dùng để chỉ một enzim có thể xúc tác tổng hợp adenozin triphotohat (ATP) từ adenozin diphotphat (ADP) và nhóm photphat vô cơ bằng cách sử dụng một dạng năng lượng. Năng lượng này thường là dưới hình thức proton (H+) di chuyển tạo ra một gradient điện hóa màng, chẳng hạn như từ màng tilacoit vào stroma của lục lạp hoặc từ khoảng không gian giữa hai màng của ty thể ra màng ngoài của ti thể.
Các chuỗi phản ứng tổng thể là:
ADP + Pi → ATP.
Các enzim có tầm quan trọng quyết định trong hầu hết tất cả các phản ứng hóa sinh cũng như các hoạt động trong tế bào hoặc trong cơ thể sinh vật, bởi vì ATP được xem là “đồng tiền năng lượng của tế bào”.
Sự ức chế của kháng sinh oligomycine đối với tiểu phần F0 của ATP synthase sẽ làm enzim bị vô hiệu hóa .
CẤU TRÚC CỦA ENZIM ATP SYNTHSE:

Trong ty thể, trong quá trình nghiên cứu khoa học, việc nghiên cứu cấu trúc của F1F0ATP synthase trải qua lịch sử lâu dài của. Cấu trúc của enzim ATP synthase bao gồm:

F0 là một tiểu phần nằm trọn vẹn trong phần màng sinh học tế bào.
F1 là tiểu phần của ATP synthase là ở trên màng ngoài, trong cấu trúc của ty thể.






Cấu trúc của enzim được nghiên cứu qua lịch sử lâu dài, F1 từ thuật ngữ “tiểu phần số 1” và F0 (được viết như một con số “0” ở bên dưới, chứ không phải là“không”) bắt nguồn từ tên gọi của nó là oligomycine liên kết với tiểu phần
VD các cấu trúc tiểu phần các enzim của giống bò, nhiều tiểu phần có tên chữ cái là
Theo tiếng Hy Lạp tên chữ cái là:
Theo tiếng La Mã tên hữ cái: a, b, c, d, e, f, g, h.
Số khác có tên phức tạp hơn.
F6 (từ “tiểu phần 6”).
OSCP (độ nhạy oligomycine sensitivity conferral protein), ATP5O.
A6L (đặt tên cho gene mã hóa trong hệ gene của ti thể).
IF1 (ức chế tiểu phần 1), ATPIF1.
Tiểu phần F1 lớn và có thể được nhìn thấy dưới kính hiển vi điện tử truyền bằng nhuộm âm tính. Đây là những tiểu phần có đường kính khoảng 9 nm nằm ở bên trong khoảng không giữa hai màng ti thể. Ban đầu chúng được gọi là các hạt sơ cấp và được cho rằng chứa toàn bộ bộ máy hô hấp của ty thể, nhưng thông qua một loạt các thí nghiệm, Ephraim Racker và đồng nghiệp của mình (là những người đầu tiên đã cô lập được những tiểu phần F1 vào năm 1961) điều đó có thể thấy rằng những hạt nhỏ này được liên hệ với hoạt động enzim ATPase mà không liên kết với ti thể và với hoạt động của ATPase trong các phần nhỏ của ti thể được tạo ra bởi sự lộ diện ti thể khi siêu âm. Hoạt động này của ATPase đã được liên kết với việc tạo ra ATP bởi một loạt các thí nghiệm trong nhiều phòng thí nghiệm.
MỘT SỐ HÌNH ẢNH MÔ TẢ CẤU TRÚC CỦA ATP SYNTHASE:
CƠ CHẾ THAY ĐỔI SỰ LIÊN KẾT:
Trong thập niên 1960 đến thập niên 1970, Paul Boyer phát triển các thay đổi liên kết, hoặc flop-flip, cơ chế mà đòi hỏi sự tổng hợp ATP được kết hợp với một sự thay đổi cấu trúc của enzim ATP synthase được tạo ra bằng cách luân phiên của tiểu phần . Sau đó nhóm nghiên cứu của John E.Walker, tại phòng thí nghiệm Sinh học phân tử của MRC ở Cambridge nhưng bây giờ tại MRC Mitochondrial Biology Unit (cũng ở Cambridge) đã tinh chế được miền xúc tác F1 của ATP synthase. Cấu trúc không đối xứng lớn nhất của protein đã được biết đến, biểu thị mô hình xúc tác quay của Boyer đã được xác định thực chất chính xác. Với việc làm sáng tỏ này Boyer và Waker đã chia xẻ một nửa giải Nobel Hóa học năm 1997,Jens Christian Skou đã nhận được một nửa khác của giải thưởng Hóa học năm đó “cho những khám phá đầu tiên của một enzim vận chuyển ion là Na+, K+-ATPase”.
Cấu trúc tinh thể của F1 đã chỉ ra rằng có sự đóng mở luân phiên của các tiểu phần và (3 của mỗi: mỗi lần 3 chuyển động của các tiểu phần), sắp xếp giống như các múi cam xung quanh mỗi tiểu phần không đối xứng. Theo mô hình hiện tại của quá trình tổng hợp ATP (gọi là mô hình xúc tác luân phiên), lực cơ động proton vượt qua khoảng không gian giữa hai màng của ti thể được phát ra bởi chuỗi vận chuyển điện tử dồn tới cho dòng proton thông qua màng ở vùng F0 của enzim ATPase. Một phần của F0 (vòng tiểu phần c) đã quay bởi proton vượt qua màng. Vòng c được gắn chặt vào phần thân không đối xứng (bao gồm chủ yếu các tiểu phần ). Nó không thể quay như của F1 đã gây ra 3 xúc tác cho vị trí liên kết nucleotit dẫn tới một loạt các thay đổi tương ứng hướng tới quá trình tổng hợp ATP. Phần lớn tiểu phần F1 không quay được liên kết với cuống trung tâm cánh quạt bởi một cuống ngoại vi mà tham gia liên kết tới phần không quay được của F0. Cơ cấu của ATP synthase nguyên vẹn hiện tại đang được biết đến ở độ phân giải thấp từ cryo-kính hiển vi điện tử (cryo-EM), đối tượng nghiên cứu của phức hệ. Mô hình cryo-EM của ATP synthase gợi ý rằng cuống ngoại vi là một cấu trúc linh hoạt bao trùm xung quanh phức hệ từ F1 đến F0.
Theo các điều kiện thích hợp, các phản ứng enzim cũng có thể được thực hiện theo chiều đảo ngược, với thủy phân ATP đã hướng tới bơm proton qua màng tế bào.
Cơ chế thay đổi liên kết bao gồm vị trí hoạt động của một tiểu phần trong một chu kỳ giữa 3 múi. Khi múi mở, ADP và nhóm photophat đi vào vị trí hoạt động, trong biểu đồ phần này được biểu diễn bằng màu nâu. Protein này sau đó khép lại các phân tử và gắn kết chúng lỏng lẻo với nhau (biểu diễn bằng màu đỏ).

Enzim này sau đó trải qua một sự thay đổi khác về hình dáng và giữ các phân tử này với nhau, với những vị trí đang hoạt động trong trạng thái chặt chẽ (thể hiện trong màu hồng) liên kết các phân tử ATP vừa được sản xuất với ái lực rất cao. Cuối cùng, vị trí chu kỳ hoạt động trở lại trạng thái mở, giải phóng ATP, ADP và phosphat được ràng buộc hơn, sẳn sàng cho chu kỳ tiếp theo tổng hợp sản xuất ATP.
VAI TRÒ SINH LÝ ATP SYNTHASE:
Giống như các enzim khác, hoạt động của F0F1 ATP synthase là thuận nghịch. Với số lượng đủ lớn. ATP gây ra nó để tạo ra một sự chênh lệch proton tạm thời. Điều này được sử dụng bởi các vi khuẩn lên men mà không có một dây chuyền vận tải điện tử và thủy phân ATP để tạo ra một gradient proton mà họ sử dụng cho tảo và vận chuyển các chất dinh dưỡng vào tế bào.
Trong hô hấp, vi khuẩn trong điều kiện sinh lý, ATP synthase thường chạy theo hướng đối diện, tạo ATP trong khi sử dụng hoạt hóa proton lực tạo bởi các dây chuyền vận tải điện tử như một nguồn năng lượng. Quá trình tổng thể của việc tạo ra năng lượng theo kiểu này được gọi là oxy hóa phosphoryl.
ATP SYNTHASE Ở CÁC SINH VẬT KHÁC NHAU:
1. ATP synthase (thực vật):
Ở thực vật, ATP synthase cũng có mặt trong lục lạp (CF1F0-ATP synthase). Enzim này được tích hợp vào màng tilacoit; CF1-phần gậy vào stroma (cơ chất), nơi mà các phản ứng tối của quang hợp (còn gọi là phản ứng không phụ thuộc vào ánh sáng hoặc chu kỳ Calvin) và tổng hợp ATP diễn ra. Cơ cấu tổng thể và cơ chế xúc tác của ATP synthase lục lạp là gần giống như những enzim trong ti thể. Tuy nhiên, trong các lục lạp proton không được tạo ra bởi chuỗi hô hấp vận chuyển điện tử, nhưng do chính các protein quang hợp.
2. ATP synthase (ở bò)
Các ATP synthase bị cô lập từ ti thể tim bò (Bos taurus) về mặt hóa sinh và về cấu trúc, tính đặc trưng nhất của ATP synthase. Tim bò được sử dụng như một nguồn cho enzim vì nồng độ cao của các ti thể trong cơ tim.
3. ATP synthase (E.coli)
ATP synthase (ở E.coli) là đơn giản nhất được biết đến hình thức của ATP synthase, với 8 loại tiểu phần khác nhau.
4. ATP synthase (Nấm men)
ATP synthase ở nấm men, một trong những nghiên cứu sinh vật nhân chuẩn nhất ATP synthase và 5F1, 8F0 tiểu phần và 7 protein liên kết đã được xác định. Hầu hết các protein này có homologues ở sinh vật nhân chuẩn khác.
5. ATP synthase ở người:
Sau đây là danh sách các gen mã hóa các thành phần của ATP synthase:
ATP5A1, ATP5AL1.
ATP5B, ATP5BL1.
ATP5C2, ATP5D, ATP5E, ATP5F1, ATP5G1, ATP5G2, ATP5G3, ATP5H, ATP5HP1, ATP5I, ATP5J, ATP5J2, ATP5L, ATP5L2, ATP5O, ATP5S.
ATP6, ATP6AP1, ATP6AP2.
ATPSBL1, ATPSBL2.
MT-ATP6, MT-ATP8.
SỰ TIẾN HÓA CỦA ATP SYNTHASE:
Sự tiến hóa của ATP synthase được cho là một ví dụ về sự tiến hóa kiểu mô-đun, nơi hai siêu đơn vị với chức năng riêng của chúng đã trở thành liên kết và đã đạt được chức năng mới. Sự khớp nối này phải được xảy ra sớm trong tiến triển của cuộc sống được minh chứng bằng cấu trúc cơ bản giống nhau và các quá trình của enzim ATP synthase bảo tồn trong tất cả các giới sinh vật. F-ATP synthase cho thấy số lượng lớn giống nhau cả về chức năng và cơ chế để các V-ATPase. Tuy nhiên, trong khi F-ATP synthase tạo ra ATP bởi sự tận dụng một gradient proton V-ATPase có trách nhiệm tạo ra một gradient proton tại chi phí của ATP, tạo ra các giá trị độ pH thấp như 1. Hạt F1 cũng cho thấy 1 hạt có mức độ giống đáng kể với hexameric ADN helicases và hạt F0 cho thấy một số hạt giống nhau để khởi động mạnh mẽ bơm H+. Các hexamer của F1 hạt cho thấy cấu trúc giống nhau đáng kể với ADN hexameric; cả hai hình thức một vòng với 3 trục quay đối xứng với một lỗ trung tâm. Cả hai cũng có vai trò phụ thuộc vào sự quay tương đối của phân tử lớn một trong các lỗ chân lông; các helicases ADN sử dụng hình dạng xoắn ốc của ADN điều khiển sự chuyển động của mình dọc theo phân tử ADN và phát hiện trong các hình dạng siêu xoắn hexamer sử dụng những thay đổi conformational bởi xoay của tiểu phần để điều khiển là một phản ứng enzim.