Sự ghép thẩm thấu và tổng hợp ATP

1
Chương 8
Sự ghép thẩm thấu và tổng hợp ATP
2
Nội dung:
Khía cạnh hóa học của ATP và liên kết phosphoanhydride
Lịch sử về việc khám phá sự tổng hợp ATP
Sự trình bày định lượng của lực phát động proton
Danh pháp và vị trí của ATP synthase
Cấu trúc của ATP synthase
Cơ chế hoạt động của enzym ATP synthase
3
Khía cạnh hóa học của ATP và liên kết phosphoanhydride
Nucleotide:
Base Adenine
Đường Ribose
ba gốc phosphat
Adenosine diphosphate (ADP)
Adenosine monophosphate (AMP)
Liên kết phosphoanhydride: liên kết "cao năng"
~
~
4
ATP4- + H2O  ADP3- + HPO42- + H+
ΔG = ΔG° + RT ln([ADP][Pi]/[ATP])
tại 298K và pH=7: ΔG=-52 kJ mol-1
 phản ứng tự phát
Năng lượng tự do cần thiết cho sự tổng hợp của ATP là 52 kJ mol-1
5
Lịch sử về việc khám phá sự tổng hợp ATP
1929, ATP được cô lập từ mô cơ
1940, Fritz Lipmann: ATP là tiền tệ năng lượng phổ thông trong tế bào
1948, Lehninger Albert và Kennedy Eugene: ti thể là nơi diễn ra sự phosphoryl oxi hoá
1950, Daniel Arnon và cộng sự khám phá sự quang phosphoryl hóa
6
Đường phân và ATP
Glycolysis sản xuất ATP bằng quá trình phosphoryl hóa chất nền
ATP được tạo thành bởi một loại enzyme hòa tan tác động lên một loạt các hóa chất trong tế bào chất.
7
Đường phân
8
Tìm hiểu cơ chế tạo ATP trong lục lạp lẫn ti thể
Cô lập chất trung gian được phosphoryl hóa
 không thành công
1961, Peter Mitchell đề xuất cơ chế phosphoryl hóa: năng lượng tự do được chuyển thành liên kết phosphoanhydride cao năng trong ATP
9
Giả thuyết hóa thẩm thấu của Mitchell
Chất mang điện tử sắp xếp theo dạng vector trong màng
Chất mang điện tử
Chất mang điện tử tiếp theo
Electron
Một bên màng tế bào
Bên kia màng tế bào
Proton
Sự chênh lệch pH giữa bên trong và bên ngoài màng
Lực phát động proton
Năng lượng
Tổng hợp ATP
Vận chuyển chủ động
10
pH4
pH4
pH4
pH4
pH4
pH8
pH8
Môi trường đệm
Màng Thylakoid (pH8)
Làm cân bằng
Thylakoid đã được truyền
Thêm ADP + Pi
ADP + Pi
ATP
1966, thí nghiệm của André Jagendorf
11
Sự trình bày định lượng lực phát động proton
Năng lượng có sẵn cho tổng số ATP tổng hợp: lực phát động proton (Δp) = điện thế hóa học proton + điện thế màng vận chuyển
p =  - 59 pH (8.3)
12
j = °j + RTlnaj + zjFj (8.4)
H+ = RTlnH+ +FH+ (8.5)
H+= Hi+ - Ho+ (8.6)
p= H+/F = -2,3 RT/F pHi-o + i-o
Thí nghiệm chứng minh:
2 thành phần của lực phát động proton được hoán đổi nhiệt động lực cho nhau
 ΔEm lớn, ΔpH lớn, hoặc trung gian của cả hai đều có hiệu quả trong việc hình thành ATP
13
Danh pháp và vị trí của ATP synthase
ATP synthase: phức hệ multisubunit lớn, gồm hai tiểu phần: F1 và Fo (“o”: độ nhạy oligomycin)
Enzyme lục lạp là CF1 và CFo
Phần CFo nằm trong màng tế bào,
Phần CF1 nhô ra ở một phía của màng tế bào
Trong vi khuẩn quang hợp tía, enzym nằm trong bào tương, với phần F1 bám vào tế bào chất
14
Cấu tạo của ATP synthase
F1: phần ưa nước, nhô ra từ màng nằm trong cơ chất, chứa các phân tử xúc tác, thực hiện sự tổng hợp và thủy phân ATP
3 chuỗi α xen kẽ với các tiểu phần β
Phần dãy γ làm nhiệm vụ liên kết F1 và Fo
Fo: kênh vận chuyển proton, phần kị nước nằm trên màng, thực hiện sự vận chuyển proton
Rotor: vòng c
Stator: γ và ε
F1 có 5 chuỗi polypeptide (α3, β3, γ, δ, ε ) tham gia vào hoạt động của ATP synthase
15
16
Cơ chế hoạt động của enzym ATP synthase
Cơ chế tổng hợp ATP: quá trình phosphoryl oxi hóa ở màng trong ty thể
xúc tác bởi enzim ATP synthase dựa trên sự chênh lệch gradien nồng độ
Dựa trên động cơ quay của Fo, F1.
ATP synthase là bơm proton hoạt động theo 2 chiều khác nhau
Hoạt động theo chiều bơm proton
Hoạt dộng theo tỷ lệ nồng độ giữa ATP và ADP
ATP synthase có 3 tiểu phần hoạt động chịu sự thay đổi trong ái lực liên kết đối với chất tham gia của phản ứng ATPase, ATP, ADP và phosphat
“Động cơ” quay mỗi lần 120°
17
18
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