شیمی‌اسمز و سنتز ATP

چگونگی ذخیره انرژی توسط سلول‌ها در یک گرادیان پروتون عرض غشایی و استفاده از آن برای به حرکت درآوردن یک آنزیم چرخشی که ATP، واحد اصلی انرژی بیولوژیکی را می‌سازد.

Definition

شیمی‌اسمز استفاده از یک گرادیان الکتروشیمیایی پروتون در عرض یک غشا برای جفت کردن انتقال الکترون آزادکننده انرژی با سنتز ATP توسط ATP سنتاز است.

Scope

این موضوع به مکانیسم شیمی‌اسمزی تبدیل انرژی می‌پردازد: چگونه انتقال الکترون نیروی محرکه پروتونی را در عرض یک غشا ایجاد می‌کند، چگونه این گرادیان انرژی آزاد را ذخیره می‌کند، و چگونه ATP سنتاز از جریان بازگشتی پروتون‌ها برای سنتز ATP از طریق چرخش مکانیکی استفاده می‌کند. این مبحث به انرژی‌زایی و مکانیسم فیزیکی می‌پردازد و چارچوب ترمودینامیکی گسترده‌تر و جزئیات متابولیکی را به موضوعات همسایه واگذار می‌کند.

Core questions

• چگونه انرژی حاصل از انتقال الکترون به صورت گرادیان پروتون ذخیره می‌شود؟
• نیروی محرکه پروتونی چیست و چه مقدار انرژی آزاد را در خود نگه می‌دارد؟
• ATP سنتاز چگونه جریان پروتون را به انرژی پیوند شیمیایی تبدیل می‌کند؟
• چرا یک مکانیسم چرخشی برای جفت کردن این فرآیندها مناسب است؟

Key theories

فرضیه شیمی‌اسمزی

میچل پیشنهاد کرد که انتقال الکترون پروتون‌ها را در عرض یک غشا پمپ می‌کند و گرادیان الکتروشیمیایی حاصل، نه یک واسطه شیمیایی، تنفس را به فسفوریلاسیون جفت می‌کند.

جفت‌شدگی مکانوشیمیایی چرخشی

ATP سنتاز به عنوان یک موتور چرخشی مولکولی عمل می‌کند که در آن جریان پروتون از طریق بخش تعبیه‌شده در غشا، یک شفت را می‌چرخاند که به طور مکانیکی تغییرات ساختاری را که ATP را در سر کاتالیزوری سنتز می‌کنند، به حرکت درمی‌آورد.

Mechanisms

زنجیره‌های انتقال الکترون از انرژی آزاد واکنش‌های ردوکس برای پمپ کردن پروتون‌ها در عرض یک غشا استفاده می‌کنند و نیروی محرکه پروتونی ایجاد می‌کنند که ترکیبی از اختلاف غلظت و ولتاژ غشایی است. این گرادیان ذخیره‌ای از انرژی آزاد است. ATP سنتاز یک مسیر بازگشتی کنترل‌شده فراهم می‌کند: پروتون‌هایی که در طول گرادیان از طریق بخش غشایی آن جریان می‌یابند، یک روتور مرکزی را می‌چرخانند، و این چرخش تغییرات ساختاری متوالی را در زیرواحدهای کاتالیزوری که سوبستراها را متصل کرده و ATP را آزاد می‌کنند، به حرکت درمی‌آورد. این مکانیسم برگشت‌پذیر است، بنابراین آنزیم می‌تواند با هیدرولیز ATP پروتون‌ها را نیز پمپ کند.

Clinical relevance

تبدیل انرژی شیمی‌اسمزی برای عملکرد میتوکندری مرکزی است و اختلال در آن زیربنای اختلالات متابولیکی و میتوکندریایی است و توسط عوامل خاصی هدف قرار می‌گیرد؛ بیوفیزیک در اینجا بیشتر یک پیش‌زمینه آموزشی است تا راهنمایی بالینی.

History

فرضیه شیمی‌اسمزی میچل در سال ۱۹۶۱، که در ابتدا بحث‌برانگیز بود، جستجو برای یک واسطه جفت‌کننده شیمیایی را کنار گذاشت؛ مکانیسم تغییر-اتصال بویر و ساختار ATP سنتاز واکر بعدها آنزیم چرخشی را که آن را محقق می‌سازد، آشکار کردند.

Key figures

• Peter Mitchell
• Paul Boyer
• John Walker

Seminal works

• mitchell1961
• nelson2014

Frequently asked questions

نیروی محرکه پروتونی چیست؟

این انرژی آزاد ذخیره شده در یک گرادیان پروتون در عرض یک غشا است که ترکیبی از اختلاف غلظت پروتون و ولتاژ غشایی است؛ سلول‌ها از آن برای تامین انرژی سنتز ATP و انتقال استفاده می‌کنند.

آیا ATP سنتاز واقعاً یک موتور چرخشی است؟

بله؛ جریان پروتون از طریق بخش غشایی آن یک روتور داخلی را می‌چرخاند، و این چرخش به طور مکانیکی تغییرات ساختاری را که ATP را سنتز می‌کنند، به حرکت درمی‌آورد، که به طور مستقیم مشاهده شده است.