CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG ATP SYNTHASE

Giảng viên hướng dẫn: T.S Võ Văn Toàn.
Học viên thực hiện : Võ Thị Thuỷ.
Lớp Sinh học thực nghiệm K11.
ATP SYNTHASE
LỜI MỞ ĐẦU
Để thực hiện nhiều quá trình sống như quá trình tổng hợp các chất phân tử lớn từ các chất đơn giản, vận chuyển tích cực các chất qua lại màng tế bào, quá trình vận động,...luôn luôn đòi hỏi năng lượng tự do. Năng lượng tự do nhận được từ quá trình oxi hoá các chất của thức ăn, từ ánh sáng. Trong hệ thống sống cần có các chất, các hệ thống nhận năng lượng tự do từ các quá trình này chuyển đến cho các quá trình khác.

ATP là chất phổ biến giữ vai trò này, là chất có vai trò trung tâm trong trao đổi năng lượng ở tế bào và cơ thể sống, là mắt xích liên hợp giữa các phản ứng thu năng lượng và phản ứng giải phóng năng lượng. Vì muốn tìm hiểu rõ vấn đề ATP được hình thành từ đâu và quá trình đó diễn ra như thế nào, tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu của mình là “ATP synthase”. Do sự tìm hiểu và thời gian còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót, mong nhận được sự góp ý của thầy giáo và các bạn.






Enzim ATP synthase được bảo tồn đặc biệt trong suốt quá trình tiến hóa. Enzim của vi khuẩn về bản chất tương tự như cấu trúc và chức năng khi nó lấy từ ti thể của động vật, thực vật và nấm, và lục lạp của thực vật. Những dạng đầu tiên của enzim được thấy chứng tỏ thời cổ đại đã có enzim, nó có mối quan hệ chặt chẽ rõ ràng, nhưng có những khác nhau quan trọng từ vi khuẩn thật. H+-ATP-ase được tìm thấy trong không bào của tế bào chất tế bào sinh vật có nhân chuẩn giống như enzim thời cổ đại, và được cho rằng phản ánh nguồn gốc từ tổ tiên chính.
Cơ chế enzym của quá trình tổng hợp ATP
Cấu trúc của enzym ATP Synthase
Trong hầu hết các cơ quan, ATP synthase nằm ở trong màng (màng nối), và xúc tác tổng hợp ATP từ ADP và photphate được điều khiển bởi sự thay đổi của proton qua màng giảm gradient proton được gây ra bởi sự vận chuyển electron. Sự thay đổi này xuất phát từ vị trí chủ động của tiền diệp lục tố (P) (thế năng điện hoá proton cao) đến vị trí thụ động của tiền diệp lục tố (N). Phản ứng xúc tác bởi enzim ATP synthase có cả chiều nghịch lại, vì vậy thuỷ phân ATP gây ra một gradient proton bởi chiều ngược lại của dòng.
Ở một số vi khuẩn, chức năng chính là điều hoà trong quá trình thuỷ phân trực tiếp ATP, việc sử dụng ATP được gây ra bởi sự lên men của tế bào chất cung cấp một gradient proton để tích luỹ chất nền và duy trì cân đối ion.
ADP + Pi + nH+ ↔ ATP + nH+N
Vì cấu trúc được thấy trong EM, tiểu đơn vị cấu thành, và sự kế tiếp nhau của những tiểu đơn vị xuất hiện rất giống nhau, nó được đảm nhận cơ chế, và từ đó lượng pháp hoá học, thì phải tương tự. Trong phạm vi này thì hiển nhiên khiến cho lượng pháp hoá học của H+/ATP (n above) phong phú phụ thuộc vào cơ quan là điều ngac nhiên. Tiêu chuẩn dựa trên số đo tỉ lệ ATP/2e-, và tỉ lệ H+/2e- đưa ra n là 3 cho ti thể, và 4 cho lục lạp, nhưng những tiêu chuẩn này dựa trên giả thuyết số nguyên của lượng pháp hoá học.
Mặc dù cả dạng F1F0 ATP synthase giống với nguồn gốc thông thường của nó, cả 2 giả thuyết về lượng pháp hoá học là như nhau, và n là số nguyên, trở thành sự nghi ngờ bởi sự xuất hiện của dữ liệu cấu trúc (thấy bên dưới).
Ở ti thể, vùng P nằm bên trong màng, còn vùng N là phần cơ chất của ti thể; ở vi khuẩn, vùng P nằm ở bên ngoài (chất bao của vi khuẩn Gram -), vùng N nằm ở tế bào chất; ở lục lạp mặt P là lumen và mặt N là chất nền.
TIỂU ĐƠN VỊ CẤU THÀNH CỦA ATP SYNTHASE
Có rất nhiều sự khác biệt nhỏ giữa vi khuẩn, ti thể và lục lạp trong một số tiểu đơn vị nhỏ, điều khiển một danh pháp khó hiểu. Cơ thể đơn giản nhất là từ E.coli. ATP synthase có thể được tách ra tạo thành 2 phần phân biệt bằng việc xử lí muối khá nhẹ.
Phần hoà tan, F1 ATP-ase gồm 5 tiểu đơn vị, trong một lượng pháp hoá học của 3a:3b:1g:1d:1e. Ba cơ chất liên kết với nhau ở tiểu đơn vị b. Ngoài ra nucleotic Adenin gắn kết với tiểu đơn vị a để điều hoà. Phần F1 xúc tác thuỷ phân ATP, nhưng không tổng hợp ATP.
Sự tách ra của F1 ATP-ase từ màng vi khuẩn hoặc bộ phận tách ra phía dưới màng gắn chặt vào vị trí gọi là F0. Nó bao gồm (ở E.coli) 3 tiểu đơn vị a, b và c, với lượng pháp hoá học tương đối 1;2;9-12. Tiểu đơn vị c rất kị nước, và có dạng cấu trúc xoắn ốc với khoảng cách 2 lần màng, với một vòng hút nước trên bề mặt gắn vào F1­. Bảo tồn phần acid còn lại qua màng ở C tận cùng của xoắn ốc.

Sau khi tách ra, màng thấm proton. Lỗ proton có thể bị ngừng lại bởi sự tăng thêm của chất ức chế, là những chất ức chế tổng hợp ATP trong phức hợp chức năng. Hai chất ức chế “kinh điển” thường được sử dụng. Oligomycin gắn kết tại mặt giao diện giữa F0 và F1;
dicyclohexylcarbodiimide (DCCD) gắn kết hiệp biến để bảo tồn phần còn lại của acid trong tiểu đơn vị c của F0. Một DCCD ATPase đủ để ngăn cản sự ngược lại, cần thiết 1 cơ chế kín. Hoạt động của những chất kìm hãm này đòi hỏi proton thấm qua của F0 là một phần bộ máy chức năng của nó.
Lỗ thủng proton có thể được bịt lại, và chức năng ATP synthase có thể được khôi phục lại, bằng việc quay trở lại phần F1 đến màng chứ phần F0.
Hình ảnh của phức hợp E.coli, sử dụng những hình ảnh trung bình và hỗn hợp lạnh soi kính hiển vi, hình mẫu xuất phát từ đó,chỉ ra phần thứ 2, từ Rod Capaldi’s homepage. (Lưu ý: sự chính xác của những tiểu đơn vị trong ATP synthase khác với nguồn gốc).
CẤU TRÚC CỦA F1 ATP SYNTHASE
Cấu trúc phần hoà tan F1 của ATP synthase từ ti thể tim bò được giải quyết bởi tinh thể học tia X. Hình ảnh sau từ Abrrahams,J.P., Leslie, A.G., Lutter, R.and Walker, J.E. (1994). Cấu trúc tại 2,8 A0 của F1-ATPase tái hoà tan từ sự thoái hoá của ti thể. Bản chất 370, 621-628.
SƠ ĐỒ CẤU TẠO CHI TIẾT CỦA ATP SYNTHASE

CẤU TRÚC HIỆN NAY CỦA NHỮNG TIỂU ĐƠN VỊ ATP SYNTHASE
Bên trái: Theo sự tính toán thế năng tĩnh điện bề mặt của a, dạng ống b bởi cấu trúc trải rộng nắp b bên dưới, chỉ ra những phần thụ động ( màu đỏ) và chất mang chủ động, và một lỗ thủng trung gian chiếm ưu thế (kị nước) ở doough-nut, xuyên qua vùng đầu của tiểu đơn vị g nhô ra. Thấy từ bên ngoài của protein.
Bên phải: Bề mặt tương tự, nhưng nhìn từ mặt bên của tiểu đơn vị g, một mặt kị nước cho hầu hết các que, nhưng một phần điện tích nằm ở phía dưới. Phần phía trên của que trượt đến ống bọc của Fig. Đến bên trái, Dấu hiệu ở phần cắt ra là cấu trúc hình cầu và hình que.

Phần cắt ra xuyên qua cấu trúc bề mặt, và nổi bật phù hợp với tiểu đơn vị g tại vòng a,b. Cũng chỉ ra vị trí vạch biên tương đồng ATP (AMP-PNP) ở tiểu đơn vị bTP. Lưu ý phần phình ra , mở đầu trong tiểu đơn vị g bởi xoắn ốc nằm ngang, tiếp giáp chống lại tiểu đơn vị bTP, và bắt buộc sự thay đổi cấu trúc. Điều đó đòi hỏi sự luân phiên của tiểu đơn vị g trong vòng a,b dẫn đến sự thay đổi cấu trúc ở sự nối tiếp cặp a, b để thay đổi liên kết từ sự thay đổi cơ chế.
Protein được kết tinh trong sự hiện diện của ADP và 1 dạng tương đồng ATP, AMP-PNP, ở đó 2 photphate tận cùng của ATP được thay thế bởi nhóm không thuỷ phân imidodiphosphate. Ba tiểu đơn vị a mỗi tiểu đơn vị bao gồm một AMP-PNP. Ba tiểu đơn vị bao gồm ADP (bDP), AMP-PNP (bDP), hoặc không có nucleotide (bE).
Bên trái: Cấu trúc của F1 ATP, được nhìn từ mặt bên. Tiểu đơn vị a màu vàng, tiểu đơn vị b màu đỏ, tiểu đơn vị g màu xanh. Hình mẫu phía trên bên trái chỉ ra sự định hướng. Tiểu đơn vị a, b kế tiếp nhau thành một vòng xung quanh tiểu đơn vị g, có dạng một hình que ở giữa. Tiểu đơn vị a và b khác biệt bởi những kí hiệu của vùng hoạt động tiểu đơn vị b của mỗi cặp a-b: E-trống; DP-ADP; tương đồng TP-ATP, AMP-PNP. Vảy que là 20 A0.
Bên phải: Một lát cắt dọc xuyên qua phức hợp a-TP/b-DP đường chéo sáng ở bản mẫu.
Bên trái: Một lát cắt dọc xuyên qua phức hợp a-E/b-TP đường chéo sáng ở bản mẫu.
Bên phải: Một lát cắt dọc xuyên qua phức hợp a-DP/b-E đường chéo sáng ở bản mẫu.
Lưu ý: “jaw” của cái kẹp lúc lắc mở khi vị trí trống (mũi tên ở bên phải của hình).
Bên trái: Một lát cắt nằm ngang xuyên qua phức hợp trên đỉnh, cho cấu trúc b trải rộng cung cấp một cái nắp qua phạm vi xúc tác. Vảy que là 20 A0.
Bên phải: Một lát cắt nằm ngang xuyên qua phạm vi xúc tác, hình xoắn trôn ốc vượt trội.
Bên trái: Theo sự tính toán thế năng tĩnh điện bề mặt của a, dạng ống b bởi cấu trúc trải rộng nắp b bên dưới, chỉ ra những phần thụ động ( màu đỏ) và chất mang chủ động, và một lỗ thủng trung gian chiếm ưu thế (kị nước) ở doough-nut, xuyên qua vùng đầu của tiểu đơn vị g nhô ra. Thấy từ bên ngoài của protein.

Bên phải: Bề mặt tương tự, nhưng nhìn từ mặt bên của tiểu đơn vị g, một mặt kị nước cho hầu hết các que, nhưng một phần tích điện ở phía dưới. Phần phía trên của que trượt đến ống bọc của Fig. Đến bên trái, Dấu hiệu ở phần cắt ra là cấu trúc hình cầu và hình que.

Phần cắt ra xuyên qua cấu trúc bề mặt, và nổi bật phù hợp với tiểu đơn vị g tại vòng a,b. Cũng chỉ ra vị trí vạch biên tương đồng ATP (AMP-PNP) ở tiểu đơn vị bTP. Lưu ý phần phình ra , mở đầu trong tiểu đơn vị g bởi xoắn ốc nằm ngang, tiếp giáp chống lại tiểu đơn vị bTP, và bắt buộc sự thay đổi cấu trúc. Điều đó đòi hỏi sự luân phiên của tiểu đơn vị g trong vòng a,b dẫn đến sự thay đổi cấu trúc ở sự nối tiếp cặp a, b để thay đổi liên kết từ sự thay đổi cơ chế.


Chân thành cảm ơn thầy giáo và các bạn.