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 là đứng yên (stator).ε, γ- Phần chuyển động (rotor) là vòng C và phần còn lại .δ- 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. là loại P vòng.β và α- ), xuất hiện trong hoạt động của ATP synthase.ε, δ, γ3, β3, α- Phần F1 có 5 loại chuỗi polypeptide ( Cấu tạo của cơ quan dẫn truyền proton Cặp xoắn của màngα 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 subunitγ c ring subunit subunitα subunitβ PhầnF1 có 5 loại chuỗi ), xuất hiện trong hoạt độngε, δ, γ3, β3, αpolypeptide( củaATPase α & are members ofβ 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 subunitδ Phần chuyển động (rotor) là vòng C là đứng yên (stator)εγvà phần còn lại 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):* 3 ATP→ 10 H+ pumped →2 e- from NADH 2 ATP→ 6 H+ pumped →2 e- from FADH2 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 3 của ATP ase cố định trên bề mặtβ3αSáu Mẫu huỳnh quang và mối liên quan đến subunitγ 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 ) Chúng ta có thể viết phản ứng hoá học cho việc tạo thành ATP như sau: a) Trong hoá học: ADP + Pi + energy ----> ATP b) Được đọc là: Adenosine diphosphate + Phosphate vô cơ + năng lượng sẽ cho Adenosine Triphosphate. Thật hợp lý khi cho rằng giữa ATP và pin sạc(recharged batteries) giống nhau về chức năng. Pin được sử dụng, nhường thế năng (potential energy) cho đến khi tất cả được chuyển sang động năng (kinetic energy) và nhiệt năng (heat/unusable energy). Pin sạc chỉ sử dụng được sau khi mà năng lượng được nạp vào. Vì vậy, ATP là dạng năng lượng cao năng (giống như phin sạc) trong khi ADP là dạng năng lượng thấp (giống như pin đã sử dụng). Khi nhóm phosphate cuối cùng (terminal phosphate) hay nhóm phosphate thứ ba ( third phosphate) bị mất, ATP trở thành ADP (Adenosine diphosphate; di = hai), và năng lượng dự trữ được giải phóng sử dụng (utilize) cho một số quá trình sinh học. Việc thêm năng lượng (cộng với một nhóm phosphate) đã “sạc-nạp” ADP thành ATP (giống như việc pin được sạc thêm năng lượng vào). ATP được tổng hợp như thế nào ? Hai quá trình chuyển đổi ADP thành ATP: 1)Sự phosphoryl mức độ cơ chất (substrate-level phosphorylation); và 2) Tổng hợp hoá thẩm ATP (chemiosmosis). Sự phosphoryl mức độ cơ chất xảy ra trong tế bào chất (cytoplasm) khi một enzyme gắn một nhóm phosphate thứ ba vào ADP (cả ADP và nhóm phosphate đều là cơ chất trong sự hoạt động của enzyme). Nó được minh hoạ trong hình 3. Hình 3. Enzyme và s t o thành c a NADH và ATP. nh l y t Purves et ự ạ ủ Ả ấ ừ al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, b i Sinauer Associates ở (www.sinauer.com) và WH Freeman (www.whfreeman.com), s d ng v iử ụ ớ s cho phép.ự Qúa trình tổng hợp hoá thẩm: Được thể hình ở hình 4, bao gồm hơn một enzyme của sự phosphoryl ở mức độ cơ chất. Các enzyme trong quá trình tổng hợp hoá thẩm là được sắp xếp, sắp đặt trong chuỗi vận chuyển electron (electron transport chain) gắn (embed) trên màng. Ở eukaryote màng này là trong tế bào chất hoặc ty thể. Theo đề xuất giả thuyết hoá thẩm của Peter Mitchell năm 1961, một loại enzyme tổng hợp ATP đặc biệt cũng được gắn trên màng. Mitchell sau đó đã nhận được giải Nobel cho công trình của mình. Hình 4. Một chuỗi vận chuyển electron tiêu biểu. Ảnh từ Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, bởi Sinauer Associates (www.sinauer.com) và WH Freeman (www.whfreeman.com), sử dụng với sự cho phép. Trong hoá thẩm ở eukaryote, ion H + được bơm qua màng bào quan (organelle membrane) bởi bơm protein màng trong khoảng không gian giam giữ (confined space) mà bao gồm rất nhiều các ion hydrogen. Đây là hình 4 và 5. Năng lượng cung cấp cho bơm lấy từ các cặp phản ứng oxi hoá khử trong chuỗi vận chuyển electron. Electron di chuyển từ enzyme này đến enzyme khác trên màng, mất một ít năng lượng với mỗi lần di chuyển (Định luật nhiệt động lực học 2). Năng lượng bị mất này cho phép việc bơm ion hydro trở lại nơi có nồng độ cao (ion hydro ở bên ngoài ít hơn là bên trong giới hạn không gian). Hydro bị giam giữ không thể trở lại qua màng. Chúng chỉ tồn tại ở enzyme tổng hợp ATP, đó là nơi màng giam giữ. Khi hydro ngang qua enzyme tổng hợp ATP (ATP synthesizing enzyme), năng lượng từ enzyme được sử dụng để gắn nhóm phosphate thứ ba vào ADP, chuyển nó thành ATP. Hình 5. S đ t ng quát h th ng v n chuy n electron. nh l y t Purves ơ ồ ổ ệ ố ậ ể Ả ấ ừ et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, b i Sinauer Associates ở (www.sinauer.com) và WH Freeman (www.whfreeman.com), s d ng v iử ụ ớ s cho phép.ự Thông thường nhóm phosphate cuối cùng loại bỏ không đơn giản, nhưng thay vào đó là sự gắn với một phân tử khác. Qúa trình này được biết như là sự phosphoryl. W + ATP → W∼P + ADP - Với W là một hợp chất nào đó, ví dụ: Glucose + ATP → glucose∼P + ADP Glucose có thể được chuyển sang thành glucose-6-phosphate bằng việc thêm vào nhóm phosphate từ ATP. Sự cung cấp ATP (ATP serves) giống như công ty năng lượng sinh học, giải phóng năng lượng cho cả quá trình đồng hoá (anabolic process) và quá trình dị hoá (catabolic process) và được nạp bằng năng lượng được sinh ra từ các phản ứng phân giải (catabolic reactions). . 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. sinh học, giải phóng năng lượng cho cả quá trình đồng hoá (anabolic process) và quá trình dị hoá (catabolic process) và được nạp bằng năng lượng được sinh