Nang luong sinh hoc

Đề tài :
Cấu tạo và cơ chế hoạt động của
Enzyn ATP Synthase


Giảng viên : TS. Võ Văn Toàn
Học viên : Nguyễn Thị Mân
Lớp : Cao học sinh K10
NĂNG LƯỢNG SINH HỌC
Sơ lược về tổng hợp ATP
ATP (adenosine triphosphate) – là phân tử chứa năng lượng của tế bào, cung cấp cho nhiều phản ứng sinh hóa như sự co cơ, quá trình sinh tổng hợp DNA và protein, …
ATP Synthase- là enzyme xúc tác cho quá trình tổng hợp ATP
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/A/ATP.html
Chu trình năng lượng từ 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 các hoạt động của tế bào, tạo ra tế bào và duy trì các hoạt động sống khác.
ATP được tạo ra thường xuyên và xem là đồng tiền năng lượng của tế bào. Enzym đảm nhiệm quá trình tổng hợp ATP gọi là ATP synthase .
ATP Synthase
The 1997 Nobel Prize for Chemistry
Enzymatic mechanism
of ATP synthesis
Structure of
ATP Synthase
7/30/99
“Cho sự giải thích của họ về cơ chế enzym của quá trình tổng hợp ATP”
“For their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP)"
Paul D. Boyer
John E. Walker
ATP synthase
Vị trí của Enzyme?
Đây là enzyme màng
Tìm thấy ở :
Màng plasma tế bào vi khuẩn
Màng thylacoid của lục lạp
Màng bên trong ty thể của tế bào có nhân thật
Cấu tạo của ATP Synthase
Gồm có hai phần F0 và F1
ATPsynthase được cấu tạo gồm 2 phần F0 và F1
- Phần đầu F1 là phần ưa nước nhô ra từ màng nằm trong cơ chất, chứa đựng các phân tử xúc tác, thực hiện sự tổng hợp và thuỷ phân ATP. Bao gồm 3 chuỗi α xen kẽ nhau và các tiểu phần ß.
- Phần dải làm nhiệm vụ liên kết F1 vào Fo.
- F0 là một kênh proton, kéo dài hết độ dày của màng, là thành phần ghét nước nằm ở trên màng. Thực hiện sự vận chuyển proton.
F0F1 ATP Synthase
Mô hình lắp ghép các đơn vị của ATPsynthase
Sơ đồ cấu tạo chi tiết của ATP synthase
- Phần chuyển động (rotor) là vòng C và phần còn lại ,  là đứng yên (stator).
- Cột bên ngoài có 1 tiểu phần a, 2 tiểu phần b và tiểu phần .
- F0 gồm vòng kênh proton có 10 đến 14 tiểu phần.
-  và  là loại P vòng.
- Phần F1 có 5 loại chuỗi polypeptide ( 3, 3, , , ), xuất hiện trong hoạt động của 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
Chức năng của ATP synthase
Hoạt động của chuỗi vận chuyển điện tử đã bơm H+ vào màng trong. Những ion H+ tạo ra điện thế gây nên sự chêch lệch thế năng điện thế. Khi động cơ quay mỗi lần 1 góc 120o làm các tiểu phần của F1 tiếp xúc và tác động việc liên kết giữa ADP và Pi để tổng hợp ATP.
Tổng hợp ATP từ ADP và Pi.
Đầu tiên là do có gradien ion Hydro
Ion Hydro (Protons ) được vận chuyển về một phía của màng
Sau đó protons được di chuyển trong kênh của động cơ enzyme bằng các tiểu phần protein quay
Vai trò của ATP synthase?
Tạo ra ATP từ ADP and và photphat vô cơ (Pi)
ADP + Pi + ATP

Cân bằng chung là :
    ADP3- + HPO42- + H+ + nH+ màng ngoài (+ charge)  
  ATP4- + H2O + nH+ màng trong(- charge)
Năng lượng từ sự vận chuyển ion Hydro qua màng theo gradient
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.

CƠ CHẾ HoẠT ĐỘNG CỦA ENZYM ATP SYNTHASE
ATP synthase
 subunit
c ring subunit
 subunit
 subunit
PhầnF1 có 5 loại chuỗi
polypeptide( 3, 3, , , ), xuất hiện trong hoạt động
củaATPase
 &  are members of
P-loop family
F0 gồm vòng kênh proton có
10-14 tiểu phần
‘a’ subunit gắn ở bên
Ngoài vòng
Cột bên ngoài có
1 a subunit,
2 b subunits, và
 subunit
Phần chuyển động (rotor) là vòng C
và phần còn lại  là đứng yên (stator)
Enzym ATP synthases của lục lạp và vi khuẩn quang hợp tương tự như ATP synthases của ty thể và vi khuẩn không quang hợp.
Mitochondrion
Chloroplast
E. coli
inner membrane
matrix
ATP synthase
inter-membrane space
thylakoid membrane
lumen
stroma
ATP synthase
“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
Cấu trúc mở,
ADP, Pi liên kết yếu
Cấu trúc đóng:
ADP, Pi liên kết chặt,
tạo
ATP
Mở cấu trúc:
ATP được giải phóng, chu trình bắt đầu
Proton chuyển động qua màng gây ra chuyển động quay
Proton xâm nhập vào nửa kênh cytosolic, trung hòa Asp
Asp vào nửa kênh matrix
Proton vào matrix, khôi phục hê thống
Con đường Proton xuyên qua màng
Nửa kênh
Cytosolic
Nửa kênh
Matrix
Những băng chuyền ty thể
Hai thành phần của
động lực chuyển động proton (pmf)
F0 is a H+ channel, F1 is catalytic
Enzym tổng hợp ATP là máy quay nhỏ nhất thế giới,
Tổng hợp ATP
Trong tế bào, 3 H+ tương đương 1 ATP (In cell, 3 H+ flow per ATP produced):*
2 e- from NADH  10 H+ pumped  3 ATP
2 e- from FADH2  6 H+ pumped  2 ATP

Enzym ATP synthase có thể hoạt động theo chiều hướng khác :Chiều hướng ngược lại hoạt động như bơm proton
(ATP synthase can work in either direction; working backwards it acts as a proton pump)
Chiều hướng hoạt động theo tỷ lệ nồng độ ATP và ADP (Direction depends on Vm and ratio of ATP:ADP.)
ATP synthase là bơm proton làm việc theo kiểu hai chiều
Quan sát chuyển động quay của ATPase
Sáu 33 của ATP ase cố định trên bề mặt
Mẫu huỳnh quang và
mối liên quan đến
 subunit
Quan sát quay dưới KHV
huỳnh quang của quá
Trình thủy phân ATP
Sợi tơ Actin
F0F1 ATPase/ATP synthase (F-type)
10/26/05
31
Fig. 11-39
Fig. 11-40
Electron
Transport
Study
Guide
Số liệu đáng lưu ý về ATP synthase
Bao gồm 22722 nguyên tử
23211 liên kết để kết nối 2987 nhóm amino acid
120 chuỗi helix và 94 tấm (sheet units )
Tạo ra khoảng 100 kg ATP mỗi ngày ( ở người)
Là một loại enzym xuất hiện sớm nhất trước các enzyme quang hợp và hô hấp
Động cơ quay nhỏ nhất được biết ( chỉ được quan sát dưới KHV điện tử )