Кіріспе

Көлік ақуызы биохимиялық протондық сорғылар

Протондық сорғы – биологиялық мембрана арқылы протон градиентін қалыптастыратын интегралды мембраналық ақуыз сорғысы. Протондық сорғылар келесі реакцияны катализдейді:

[биологиялық мембрананың бір жағында] + энергия → [мембрананың екінші жағында]

Механизмдер ақуыз құрылымының энергиямен шақырылған конформациялық өзгерістеріне немесе Q цикліне негізделген. Эволюция барысында протондық сорғылар бірнеше рет тәуелсіз түрде пайда болды. Сондықтан, табиғатта ғана емес, сонымен қатар жеке жасушаларда да эволюциялық байланысы жоқ әртүрлі протондық сорғыларды кездестіруге болады. Протондық сорғылар энергияның әртүрлі көздерін пайдаланатын, әртүрлі полипептидтік құрамы мен эволюциялық тегі бар сорғылардың әртүрлі негізгі кластарына бөлінеді.

Функция

Оң зарядталған протонның тасымалы көбінесе электрогенді болады, яғни мембрана арқылы электр өрісін тудырады, бұл мембраналық потенциал деп те аталады. Протон тасымалы, егер сол бағыттағы теріс зарядтың немесе қарама-қарсы бағыттағы оң зарядтың тасымалымен электрлік тепе-теңдік қамтамасыз етілмесе, электрогенді болады. Электрогенді емес протонды сорғының мысалы – асқазанның шырышты қабығындағы протон/калий сорғысы, ол протондар мен калий иондарының теңгерімді алмасуын катализдейді. Протонды сорғылардың құрамында пайда болатын протондар мен зарядтардың біріктірілген трансмембраналық градиенті электрохимиялық градиент деп аталады. Электрохимиялық градиент – энергияның (потенциалдық энергияның) резерві, оны АТФ синтезі, қоректік заттардың сіңуі және әрекет потенциалының қалыптасуы сияқты көптеген биологиялық процестерді қозғау үшін пайдалануға болады. Жасушалық тыныс алу кезінде протонды сорғы митохондрия матрицасынан мембранааралық кеңістікке протондарды тасымалдау үшін энергияны қолданады. Бұл ішкі митохондриялық мембранада протон концентрациясы градиентін жасайтын белсенді сорғы, себебі матрицаның сыртындағы протон мөлшері ішкісінен артық. pH және электр зарядының айырмашылығы (буферлік сыйымдылықтағы айырмашылықты ескермей) батарея немесе жасуша үшін энергия сақтағыш құрылғы сияқты жұмыс істейтін электрохимиялық потенциал айырмашылығын тудырады. Бұл процесті дөңгелекті жоғары көтеруге немесе батареяны кейінірек пайдалану үшін зарядтауға теңеуге болады, өйткені ол потенциалдық энергияны өндіреді. Протонды сорғы энергияны жаратпайды, бірақ кейінірек пайдалану үшін энергияны сақтайтын градиентті қалыптастырады.

Түрлілігі

Протонды сорғылау реакциясына қажетті энергия жарықтан (жарық энергиясы; бактериородопсиндер), электрондық трансферден (электр энергиясы; I, III және IV электрон тасымалдау кешендері) немесе пирофосфат (PPi; протон сорғылайтын пирофосфатаза) немесе аденозин трифосфаты (АТФ; протон АТФазалары) сияқты энергияға толы метаболиттерден (химиялық энергия) түюі мүмкін.

Электронды тасымалдау кешені I

I кешен (EC 1.6.5.3) (сонымен қатар NADH: убиквинон оксидоредуктаза немесе, әсіресе адам протеины контекстінде NADH дегидрогеназа деп аталады) электрондық тасымалдау арқылы жұмыс істейтін протондық сорғы. Ол H+ немесе Na+ транслокациялайтын NADH дегидрогеназа (NDH) отбасының (TC# 3. D.1) құрамына кіреді, бұл Na+ тасымалдаушы Mrp суперавтобасының мүшесі. Ол NADH-тан кофермент Q10 (CoQ10) қа электронды көшіруді катализдейді және эукариоттарда ішкі митохондриялық мембранада орналасқан. Бұл фермент АТФ синтетазасы АТФ синтезі үшін пайдаланатын протондық электрохимиялық потенциалдың мембраналық айырмашылығын қалыптастыруға көмектеседі.

Электронды тасымалдау кешені III

III кешен (EC 1.10.2.2) (цитохром bc1 немесе кофермент Q: цитохром c оксидоредуктаза деп те аталады) – электрондық тасымалдау арқылы жұмыс істейтін протондық сорғы. III кешен – митохондриялық (цитохром b) және ядролық геномдармен (қалған барлық суббөлімдер) кодталатын көп суббөлімді трансмембраналық ақуыз. III кешен барлық аэробты эукариоттардың ішкі митохондриялық мембранасында және көптеген эубактериялардың ішкі мембраналарында кездеседі. Бұл фермент митохондрияның АТФ синтетазасы АТФ синтезі үшін пайдаланатын протондық электрохимиялық потенциалдың трансмембраналық айырмашылығын қалыптастыруға көмектеседі.

Цитохром b6f кешені

Цитохром b6f кешені (EC 1.10.99.1) (сондай-ақ пластохинол-пластоцианин редуктазасы деп аталады) – III кешенмен байланысты, бірақ өсімдіктердің, цианобактериялардың және жасыл балдырлардың хлоропластарындағы тилакоид мембранасында табылмайтын фермент. Бұл протондық сорғы электрондық тасымалдау арқылы жұмыс істейді және пластохинолдан пластоцианинге электронды тасымалдау реакциясын катализдейді. Бұл реакция митохондриялық электрондық тасымалдау тізбегінің III кешені (цитохром bc1) катализдейтін реакцияға ұқсас. Бұл фермент протонның электрохимиялық потенциалының трансмембраналық айырмашылығын құруға көмектеседі, одан кейін хлоропластардың АТФ синтетазасы АТФ синтезі үшін пайдаланады.

Электронды тасымалдау кешені IV

IV кешен (EC 1.9.3.1) (сондай-ақ цитохром c оксидаза деп аталады) – электрондық тасымалдау арқылы жұмыс істейтін протондық сорғы. Бұл фермент бактерияларда және эукариоттардың ішкі митохондриялық мембранасында табылған ірі трансмембраналық ақуыз кешені болып табылады. Ол төрт цитохром c молекуласының әрқайсысынан бір электронды қабылдап, оларды бір оттегі молекуласына беріп, молекулалық оттегіні екі су молекуласына айналдырады. Осы процесте ол ішкі сулы фазадан төрт протонды байланыстырып су жасайды және мембрана арқылы қосымша төрт протонды тасымалдайды. Бұл фермент митохондрияның АТФ синтетазасы АТФ синтезі үшін пайдаланатын протондық электрохимиялық потенциалдың трансмембраналық айырмашылығын құруға көмектеседі.

АТФ-мен жұмыс істейтін протонды сорғылар

Аденозин трифосфаты (АТФ) арқылы қозғалатын протондық насостар (олар протондық АТФазалар немесе АТФазалар деп те аталады) – аденозин трифосфатының (АТФ) гидролизінен энергия алып жұмыс істейтін протондық насостар. Табиғатта протондық АТФазалардың үш класы табылады. Бір жасушада (мысалы, саңырауқұлақтар мен өсімдіктерде) протондық АТФазалардың барлық үш тобының өкілдері кездесуі мүмкін.

P-түрлі протондық АТФаза

Плазмалық мембраналық АТФаза – өсімдіктер, саңырауқұлақтар, протостар және көптеген прокариоттардың плазмалық мембранасында табылған, P типіндегі АТФазаның бір ғана бөлігінен тұратын фермент. Плазмалық мембраналық АТФаза өсімдіктердің, саңырауқұлақтардың, протостардың және көптеген прокариоттардың плазмалық мембранасындағы электрохимиялық градиенттерді құрайды. Мұнда протондық градиенттер екіншілік тасымалдау процестерін қозғау үшін пайдаланылады. Осылайша, ол көптеген метаболиттердің сіңірілуі үшін, сондай-ақ қоршаған ортаға реакция беру үшін (мысалы, өсімдіктердегі жапырақтардың қозғалысы) маңызды. Адамдарда (және, мүмкін, басқа сүтқоректілерде) асқазандық сутегі-калий АТФазасы немесе H+/K+ АТФазасы бар, ол да P типіндегі АТФазалар отбасысына жатады. Бұл фермент асқазанның протондық сорғысы ретінде жұмыс істейді және негізінен асқазан ішіндегілердің қышқылдануына жауапты (асқазан қышқылына қараңыз).

V типті протондық АТФаза

V типті протондық АТФаза – V типті көпбөлімді фермент. Ол әртүрлі мембраналарда табылса, жасушаішілік органеллаларды немесе жасуша сыртындағы ортаны қышқылдандыруға қызмет етеді.

F типті протондық АТФаза

F типті протондық АТФ-аза – F типті көп суббұрыш фермент (сонымен қатар АТФ синтетазасы немесе FOF1 АТФ-аза деп те аталады). Ол митохондрияның ішкі мембранасында табылса, онда протон тасымалымен жұмыс істейтін АТФ синтетазасы ретінде қызмет етеді. Митохондрияда электрондардың тасымалдануы немесе фотосинтез нәтижесінде түзілген тотығу-тотықсыздану эквиваленттері осы протондардың транслокациясын қамтамасыз етеді. Мысалы, цитохром c оксидазасы арқылы протондардың транслокациясы, тотыққан цитохром c-нің тотығу-тотықсыздану эквиваленттерімен қамтамасыз етіледі. АТФ-ның өзі плазмалық мембрананың протондық АТФазасында және басқа жасушалық мембраналардың АТФаза протондық сорғыларында осы тасымалды күшейтеді. Митохондрияның FoF1 АТФ синтетазасы, керісінше, әдетте мембрана арқылы протондарды жоғары концентрациядан төмен концентрацияға өткізеді, сонымен қатар осы ағымнан энергия алып, АТФ синтездейді. Протондар ішкі митохондриялық мембрана арқылы протондық «сымдар» арқылы транслокацияланады. FO бөлшегінің a және b суббұрыштары арқылы берілетін конформациялық өзгерістердің бұл тізбегі, FO-ны F1 суббұрышымен байланыстыратын сабақта конформациялық өзгерістердің тізбегін тудырады. Бұл процесс протондардың транслокациясын АДФ-ты фосфорлану үшін қажетті F1-дің бос, тығыз және ашық күйлері арасындағы механикалық қозғалыспен тиімді байланыстырады. Бактерияларда және митохондриядан басқа АТФ өндіретін органеллаларда электрондардың тасымалдануы немесе фотосинтез нәтижесінде түзілген тотығу-тотықсыздану эквиваленттері протондардың транслокациясын қамтамасыз етеді. Хлоропластардың CF1 АТФ лигазасы өсімдіктердегі адамның FOF1 АТФ синтетазасына сәйкес келеді.

Пирофосфатпен жұмыс істейтін протонды сорғылар

Протонды сорғылайтын пирофосфатаза (сондай-ақ H PPаза немесе вакуольдік типтегі бейорганикалық пирофосфатазалар (V PPаза; V – вакуольдік) деп те аталады) – бейорганикалық пирофосфаттың (PPi) гидролизімен жұмыс істейтін протонды сорғы. Өсімдіктерде H PPаза вакуольдік мембранаға (тонопластқа) орналасқан. Өсімдіктердің бұл мембранасында вакуольдің ішкі ортасын қышқылдандыру үшін екі түрлі протонды насос бар: V PPаза және V АТФаза.

Жеңіл қозғалтқышпен жұмыс істейтін протонды сорғылар

Бактериородопсин – археялар, ең әйгілісі халоархеялар қолданатын жарық энергиясымен жұмыс істейтін протондық сорғы. Жарық, протеинмен ковалентті байланысқан ретиналь пигментімен сіңіріледі, нәтижесінде молекуланың конформациялық өзгерісі пайда болады, ол протон сорғылаумен байланысты сорғы протеиніне беріледі.