ENZYM ATP SYNTHASE

NĂNG LƯỢNG SINH HỌC
Đề tài :

Enzym ATP Synthase

Giảng viên : TS. Võ Văn Toàn
Học viên : Nguyễn Diễm Dương Châu
Lớp : Cao học sinh K11

Cơ chế hoạt động của enzym F1 ATP-ase:
Cơ chế tổng hợp ATP dựa trên quá trình photphorin hóa oxi hóa ở màng trong của ty thể. Được xúc tác bởi enzim ATP synthase dựa trên cơ chế chênh lệch gradien nồng độ giữa màng trong của ty thể và môi trường bên ngoài ty thể.

Dựa trên động cơ quay của F0, F1.

Enzym ATP synthase hoạt động trong suốt cơ chế, nó có 3 tiểu phần hoạt động chịu sự thay đổi trong ái lực liên kết đối với chất tham gia phản ứng của phản ứng ATP-ase, ATP, ADP và phosphat, được khám phá ban đầu bởi Paul Boyer.

Paul D. Boyer
ATP SynthaseThe 1997 Nobel Prize for Chemistry
TS Paul D Boyer cùng nhận giải Nobel hóa học năm 1997 cho việc “làm sáng tỏ cơ chế enzym cơ sở của quá trình tổng hợp ATP”. Chu trình năng lượng của tất cả các cơ thể sống đều tập trung vào phân tử trung tâm là ATP. Năng lượng thu được từ quang hợp hoặc tỏa ra từ hô hấp đều được chuyển đổi thành ATP để duy trì hoạt động của tế bào, tạo ra tế bào và duy trì các hoạt động khác như sự vận động. ATP được tạo ra thường xuyên và được xem như đồng tiền năng lương của tế bào. Enzym đảm nhiệm quá trình tổng hợp ATP gọi là ATP synthase. TS Boyer đã tiến hành thực nghiệm các phản ứng hóa học chi tiết về quá trình tổng hợp này và xác định vai trò các phần riêng biệt của phân tử enzym ATP synthase trong toàn bộ quá trình tổng hợp. Công trình của TS Boyer ở Đại học California ở Los Angeles là một phần của chương trình khoa học năng lượng sinh học và nó được thực hiện từ năm 1963 đến 1993 trong khuôn khổ dự án: “ Sự tích lũy và sử dụng năng lượng ở thực vật và vi khuẩn “.
Cơ chế enzym của
quá trình tổng hợp ATP
Cấu trúc của enzym
ATP Synthase
Cơ chế hoạt động của enzym F1 ATP - ase
Sự thay đổi trong ái lực xảy ra cùng với sự thay đổi trong vị trí của subunit g liên quan đến subunit a, vòng b, cái mà kéo theo sự quay của cái này liên quan đến cái khác. Trong hướng tổng hợp ATP, sự quay được chuyển động bởi sự thay đổi nồng độ H+ dưới gradient proton, nhờ sự kết nối giữa subunit g và subunit c của F0 . Hiện nay, sự vận động này đã được chứng minh bằng thí nghiệm.
Thuyết thẩm thấu hóa học Chemiosmotic Theory
Peter Mitchell (1961)

Năng lượng tạo ra từ vận chuyển e- đã bơm H+ từ nội chất tới không gian màng trong ty thể dẫn đến tạo ra gradien điện hóa proton [proton motive force (pmf)].

H+ chuyển động ngược trở lại nội chất qua enzym ATP synthase để tạo ra ATP.
Peter Mitchell
Nobel Prize in Chemistry, 1978


“cho sự đóng góp về sự hiểu biết sự vận chuyển năng lượng sinh học qua việc trình bày chính xác lý thuyết thẩm thấu hóa học”



"for his contribution to the understanding of biological energy transfer through the formulation of the chemiosmotic theory"
Protein
complex
Electron
carrier
Inner
mitochondrial
membrane
Electron
flow
Electron transport chain
ATP synthase
Cấu tạo của cơ quan dẫn truyền proton
Cặp xoắn  của màng
Cấu trúc chưa quan sát trực tiếp
Subunit a
Proton xâm nhập vào
Proton đi ra
Mô hình lắp ghép các đơn vị của ATPsynthase:
Proton chuyển động qua màng gây ra chuyển động quay:

ATP synthase là bơm proton làm việc theo kiểu hai chiều
Thí nghiệm chứng minh mô hình quay

Phương pháp lý sinh:


Sự vận động quay này được phát hiện trong đoạn phim động từ phòng thí nghiệm của Masasuke Yoshida.Trong nghiên cứu này Enzym F1-ATP ase được buộc trên bề mặt kính bởi subunit b, sử sụng His đặt vào trong protein tại điểm cuối N, và gắn NTA trên mặt kính ( nhìn tranh vẽ minh họa trong tạp chí Junge và al TIBS)

Sự vận động này được khám phá bởi gắn 1 sợi actin vào subunit g, cái mà được đính với nhóm bộc lộ đặc tính huỳnh quang để làm nó có thể trông thấy được, và ghi lại bằng máy quay gắn với kính hiển vi. Sự vận động này chỉ có thể thấy dưới điều kiện của sự thủy phân ATP, và hướng của vận động sẽ luôn ngược với hướng của kim đồng hồ khi xem từ phần F0, mang dấu hiệu của sự xúc tác cơ chế.
Mô hình ATP synthase
Quan sát chuyển động quay của ATPase

Mẫu huỳnh quang và
mối liên quan đến
 subunit
Quan sát quay dưới KHV
huỳnh quang của quá
Trình thủy phân ATP
Sáu 33 của ATP ase cố định trên bề mặt
Phương pháp lý sinh:
Một phương pháp có thể thay thế là sử dụng phương pháp trường ánh sáng để khảo sát trong phòng thí nghiệm của Wolfgang Junge. Sử dụng một hạt màu nhỏ gắn trực tiếp vào subunit g có lợi thế của thời gian phân giải tự nhiên nhờ lực gây chuyển động quay lớn kết hợp với sự vận động của sợi actin ở trên. Cả 2 phương pháp này đều thăm dò động lực học của hệ thống.
Trong (1), tác giả đã thí nghiệm lựa chọn ánh sáng với một hạt màu nhỏ ( ví dụ nhu eosin, nhìn ở trên) gắn vào subunit g trong sự hoạt động của Enzym F1 – ATP ase, và quan sát sự nới lỏng của sự phân cực không cùng hướng trên hoạt động của vòng quay. Hoạt động này thì thích hợp với sự nghĩ rằng máy quay theo 3 bước.

Trong (2),họ kéo dài động lực học của nó để phân tích sự quay, nhờ một học thuyết mới cho sự đánh giá tiếp tục các bước ngược, Brownian đã chống lại chuyển động chuyển động của phân tử theo một hướng .

Quan sát sự nới lỏng không cùng hướng thì thích hợp đầy đủ với một hướng và các bước quay của g khắp 3 vị trí góc có khoảng cách bằng nhau trong hình lục giác bởi sự xen nhau giữa subunit a và b. Kết quả đã chứng minh rõ sự xúc tác quay tròn với sự tham gia ngang nhau của tất cả 3 tiểu phần xúc tác.
Trong (3), máy đo huỳnh quang phân cực được ứng dụng để nghiên cứu phân tử đơn, giữ cố định và vật chở tự do Enzym F1 – ATPase trong lá có màu xanh sẩm, và thường được nghiên cứu trạng thái chuyển động của vận động quay. Sự thủy phân ATP là nguyên nhân các bước và sự xúc tiến liên tục của subunit g suốt 3 vị trí góc riêng biệt,với trạng thái chuyển động của g quá ngắn để phát hiện ra. Tác giả cũng quan sát các bước vận động của e, trong khi d, a và subunits b thì không cử động.
Tài liệu tham khảo:

1. Sabbert D Junge W (1997) Các bước quay ngược của động cơ ở qui mô phân tử.
2. Sabbert D. Engelbrecht S. Junge W.(1997) Chức năng và vận động quay bên trong Enzym F1 – ATPase.
3.Hasler K. Engelbrecht S. Junge W. (1998) Ba bước quay của subunit gamma và epselon trong phân tử đơn của F1 – ATP ase được phát hiện bởi máy đo huỳnh quang phân cực
4. Junge W. Lill H. Engelbrecht S. ATP synthase – một transucer điện hóa với sự quay cơ học
Trang chính của Siggi Engelbrecht cho một vài hình ảnh đẹp và files pdb của mô hình của enzym F1 – ATP ase trong lá có màu xanh sẩm ( với mô hình của subunit d và e, và enzym F1 – ATP ase của Ecoli)

Phương pháp hóa sinh:
Trong hình trên chỉ ra liên kết thay đổi trong cơ chế của Paul Boyer, sự quay của subunit g ( màu vàng) liên quan đến đến a, vòng b ( a, cặp b thì được miêu tả bởi sự khác nhau về màu sắc của ( màu xanh lục hoặc xanh da trời) tác động làm thay đổi trong ái lực liên kết của chất tham gia phản ứng hóa học, sự miêu tả ở đây bởi sự thay đổi hình dạng của tiểu phần từ trái sang phải được trình bày trong sơ đồ. Trong bước 2, ATP được tổng hợp từ liên kết chặt chẽ giữa ADP và Pi. Cơ chế được đề xuất trước cấu trúc được biết, vì vậy cấu trúc quy định mô rõ ràng này. Vị trí mở này phù hợp với tiểu phần rỗng của cấu trúc, tiểu phần chặt đối với ATP và tiểu phần lỏng đối với ADP.
“Động cơ” quay mỗi lần 120°
Do các tiểu phần của F1 tiếp xúc và tác động Cấu trúc thay đổi thuận lợi cho sự liên kết giữa ADP và Pi để tạo ra ATP
Mỗi tiểu phần diễn ra theo 3 giai đoạn
Gđ 1 : Giải phóng ATP
Gđ 2 : ( mở ) – ADP và phân tử Pi xâm nhập vào tiểu phần
Gđ 3 : ( đóng ) – Tiểu phần tiếp xúc để tạo liên kết phân tử và tạo ra ATP
Mở cấu trúc:
ATP được giải phóng, chu trình bắt đầu
Cấu trúc đóng:
ADP, Pi liên kết chặt,
tạo
ATP
Mở cấu trúc
Cấu trúc mở,
ADP, Pi liên kết yếu
Bằng chứng thí nghiệm của mô hình trở thành lịch sử nghiên cứu rộng lớn
+ Phép đo của sự trao đổi chất đồng vị phóng xạ 32P giữa ATP, ADP và Phosphat vô cơ, và của 18O giữa H2O và ATP sự sáng tạo đầu tiên bởi Boyer đã đề xuất rằng cơ chế cần có dòng năng lượng thay đổi trong ái lực của chất tham gia phản ứng.
+ Thí nghiệm trên tiểu phần xúc tác đã chỉ ra rằng phản ứng thủy phân ATP sẵn sàng với ADP và ATP tại tỉ lệ gần bằng 1
+ Trong thí nghiệm mà Enzym cho phép thủy phân ATP trong phản ứng hỗn hợp với thực tế [ATP] thấp hơn [ Enzym], nó được tìm thấy bởi Penefsky rằng tốc độ của phản ứng thì rất chậm, động lực và liên kết liên tục của từng phần phản ứng có thể xảy ra đều đặn
Dưới điều kiện này (tại một vị trí gây xúc tác), vòng quay không tự nhiên trên tiểu phần đơn của F1, thông thường chu kỳ hợp tác này không thể xảy ra. Động lực phản ứng chậm có thể làm nó xây dựng theo học thuyết chu trình của phản ứng, giá trị DG0 ( trạng thái cân bằng không đổi ) đối với phản ứng từng phần không đo có thể tính toán từ giá trị đo. Chính sự thay đổi trong năng lượng tự do của phản ứng thì được gắn liên kết và không liên kết của chất tham gia phản ứng hóa học, hơn là sự thủy phân của ATP.
F1 - ATP
k -1
k1
F1 + ATP
F1 – ADP . Pi
F1 + ADP + Pi
K2
k2
k -2
F1 - ADP + Pi
K
K`3
K0
K3
k -4
k4
k`-4
F1 – Pi + ATP
k`3
K`-3
k3
K4
K-3
k`4
Sự cân bằng (K) và động lực (k) không đổi của phản ứng thủy phân ATP bởi F1 dưới điều kiện một tiểu phần quay. Một vài giá trị không đổi:
k1= 6.4 x 106 M-1 sec-1 k-4 = 1,3 x 103 M-1 sec-1
k-1= 7 x 10-6 sec-1 K4 = 0.3 x 10-6 M
K1= ~ 1012 M-1 K`4 = 80 x 10-6 M
k2= 12 sec-1 K = 3.6 x 105M
K2 = 0.5
k3 = 2.7 x 10-3 sec-1
k4 = 3.6 x 10-4 sec-1
Trong các thí nghiệm giống nhau nhưng [ATP] thì khác nhau, tốc độ phản ứng tăng nhanh đối với con đường tổng hợp [ATP] của enzym, cần có sự hợp tác giữa vài tiểu phần để phản ứng thủy phân nhanh hơn.

Từ khi cấu trúc đã được định dạng, một vài công trình thí nghiệm đã được làm để kiểm tra thảo luận kiểu quay trên. Trong số thí nghiệm có sức thuyết phục nhất là từ những trang trên, nó được chỉ ra dưới dạng giản đồ trong biểu đồ dưới.
The end