ЧТО ТАКОЕ АТФ, ГДЕ И КАКИМ ОБРАЗОМ ОН СИНТЕЗИРУЕТСЯ? WHAT IS ATP

УДК 581.1
Э. А. КАСУМОВ, Р. Э. КАСУМОВ, И. В. КАСУМОВА
ЧТО ТАКОЕ АТФ,
ГДЕ И КАКИМ ОБРАЗОМ ОН СИНТЕЗИРУЕТСЯ?
Научно-Производственный Центр «КОРВЕТ», Москва.
[email protected]
Рассматриваются детали молекулярного механизма синтеза АТФ при циклическом сокращении-набухании. На основе структурных и других данных доказывается, что АТФ синтетаза является насос(Ca2+/K+ Cl) – ферментным комплексом, в котором
ge-субъединицы вращаются до 270o шагами по 30о, благодаря фосфорилированию положительно заряженных аминокислотных
остатков N-концевой части g-субъединицы в электрическом поле. Скрученные b2-субъединицы выступают в роли каната, которые укорачиваются фосфорилированием положительно заряженных лизинов или аргининов и притягивают a3b3-гексамер к
мембране при энергизации. АТФ синтезируется при вращении ge-субъединиц назад дестабилизацией фосфорилированных
N-концевой части g-субъединицы и b2-субъединиц под действием ионов Ca2+, перекачиваемых из хранилища – межмембранного пространства.
Ключевые слова: FoF1-АТФ-синтетаза – g-субъединица – вращение – набухание-сокращение.
E. A.KASUMOV, R. E. KASUMOV, I. V. KASUMOVA
WHAT IS ATP,
WHERE AND HOW IT IS SYNTHESIZED?
Research and Production Centre «KORVET», Moscow, Russia,
[email protected]
The details of the molecular mechanism of ATP synthesis are considered in the cyclic shrinkage-swelling. On the basis of structural
and other data it is proved that ATP synthase is a pump (Ca2+/K+ Cl) – enzyme complex, in which ge-subunits rotate to 270o by step 30о,
owing to phosphorylation of positive charged amino acid residues of the N-terminal g-subunit in electric field. The coiled-coil b2-subunits
are the ropes shortening by phosphorylation of positive charged lysines or arginines and attract the a3b3-hexamer to the membrane in
energization. ATP is synthesized during of ge-subunits rotation a back by the destabilization of the phosphorylated N-terminal g-subunit
and b2 subunits under Ca2+ ions action pumped over from storage – intermembrane space.
Keywords: F1Fo-ATPase – g-subunit – rotation – shrinkage-swelling
В основе существования и жизнедеятельности живых организмов лежит трансформация энергии при
окислительно-восстановительных реакциях и основным
интермедиатом химической энергии в них является АТР
(АТФ). Большая часть АТР синтезируется в энергопреобразующих мембранах митохондрий, хлоропластов и
бактерий. Другими словами, АТР является энергетической валютой для всех организмов и синтезируется в АТР
синтетазе. Считается, что в сутки в организме человека
синтезируется около 50 кг АТР и мы все зависим от
синтеза этого химического вещества. Механизм этого
фундаментального процесса до сих пор за 60 лет оставался непонятным, пока не раскрыли его сотрудники
ООО «Торговый дом «ДИС» и ООО НПЦ «КОРВЕТ».
Авторы этой работы ранее предлагали смелую
идею[1,2,3], что перенос электронов, синтез АТФ регулируется набуханием-сокращением митоходрий. По
мнению многих ученых-физиков АТР синтетаза состоит
из двух моторов и один из моторов является электромотором. К их сожалению, оказалось, что это не электромотор и по принципу работы не отличается от принципов
других механизмов биологических существ.
Мы разделили свою модель механо-хемиосмотического сопряжения на две стадии, учитывающие вращение
ge-субъединичного комплекса и сопряженные процессы,
в т.ч. циклическое набухание-сокращение «внутрикристного» пространства митохондрий (Рис. 1).
Рис.1. Цикл низкоамплитудного набухания – сокращения митохондрий. Схематическое изображение переноса электрона от дегидрогеназы (Дег) до
цитохромоксидазы (цит аа3) через убихинол (KoQH2), димер комплекса цитохром bc1 и цитохром с; перенос протонов; освобождение ОН- в матрикс;
синтез АТФ; передвижение субстратов между матриксом и наружной средой.
1 – внешняя мембрана; 2 – внутренняя мембрана.a, b, g, d, e, b2, a-субъединицы АТФ синтетазы. I – набухшее состояние, II – сокращенное состояние.
42
научные гипотезы
www.zoomedvet.ru
ЗооМедВет №2 2013
(ZooMedVet #2 2013)
Стадия сокращения. Синтез АТФ закончился,
внутрикристное пространство находится в набухшем
состоянии и за счет работы электрон транспортной цепи
протоны перекачиваются в межмембранное пространство и возникает электрохимический потенциал – DµН+
(электрический потенциал – Dj и DрН) по разные стороны внутренней мембраны. Начинается протонирование
внутренней мембраны митохондрий с межмембранной
стороны. Ионный насос АТФ-синтетазы закачивает ионы
кальция (Ca2+) в межмембранное пространство через
ионный канал (с-кольцо) АТФ-синтетазы, а ионы K+Cl- с
гидратной оболочкой в матрикс (анионы Cl- выступают
в качестве контр-иона протону, для замыкания электрической цепи через мембрану), вследствие чего происходит сокращение межмембранного пространства.
Основным потребителем протонов является b2-субъединицы. Протонирование b2-субъединиц и депротонирование двух отрицательно заряженных остатков
a -спиральных петель a - и b -субъединиц (DELSEED
бусинка) g-субъединицей происходит одновременно. В
этот момент остатки аргинина или лизина N-концевой
части g -субъединицы контактирует с a -спиральной
петлей- DELSEED b1-субъединицы, депротонируют её и
переводят петлю в открытое состояние. Ионы фосфата
фосфорилируют положительно заряженные остатки
b2-субъединиц вблизи мембраны и N-концевой части
g-субъединицы. Связывание фосфата с b2-субъединицами будет скручивать по противочасовой стрелке двух
скрученных альфа спиральных белков, что приведет к
притягиванию a3b3 гексамера к мембране. Связывание
же фосфата с N-концевой частью g-субъединицы стабилизируя альфу спираль приведет к её вращению по противочасовой стрелке из-за конструктивной особенности
g-субъединицы (винтообразная структура, как будто винт
идет по резьбе) в электрическом поле (трансмембранного потенциала). Таким образом, вращение на 30о (один
ион фосфата будет вращать на 30о) приведет N-концевую
часть g-субъединицы к петле a-субъединицы в зоне каталитической области a- и b-субъединиц. Поскольку a3b3
гексамер притягивается к мембране за счет скручивания
по противочасовой стрелке b2-субъединицы (в качестве
право спирально скрученного каната, прикрепленного в
мембране и в апикальной части), то благодаря винтобразной структуре N-концевой спирали g-субъединицы
положительно заряженные остатки на винте будут совпадать с a-спиральными петлями a- и a-субъединиц
при вращении g-субъединицы. Надо иметь в виду, что
g- и e-субъединицы соединены и вращаются вместе, с
лопастью в с-кольце, но альфа спиралями в гексамере.
Таким образом, вращения на 270о g-субъединицы будет достаточно, чтобы N-концевая часть g-субъединицы
оказалась в контакте с a-спиральными петлями всех
a- и b-субъединиц и остановиться на a3-субъединице
( третья a субъединица по противочасовой стрелке). В
это же время a3b3 гексамер будет притянутым b2-субъединицей полностью к мембране, что защитит доступ
к активным центрам ферментного комплекса. Отсюда
следует, что количество положительных аминокислотных остатков b2-субъединицы и N-концевой части
g-субъединицы должны совпадать. В этом цикле высвобождаются все ранее синтезированные молекулы АТФ
и присоединяются молекулы АДФ в a-субъединицах, из
которых заблаговременно переходят молекулы АДФ в
b-субъединицы. Стадия сокращения занимает по нашим
расчетам около 9 мсек. и соответствует состоянию циклического конформационного изменения митохондрий:
фосфат вызываемый переход энергизованной мембраны в энергизованно-скрученное состояние внутренней
мембраны, как описал Харрис и др. [4].
Стадия набухания. Если к митохондриям в энергизованно-скрученном состоянии внутренней мембраны
добавить АДФ, то синтезируется АТФ, митохондрии
набухают и переходят в не энергизованное состояние
(при добавлении же ионов кальция митохондрии просто
деэнергизуются вызывая деполяризацию, набухают)
[4]. АДФ вызывает деполяризацию мембраны, ионный
канал с-кольца открывается и насос выкачивает ионы
кальция в нижнюю часть гексамера, а ионы калия в
межмембранное пространство. Поскольку ионы кальция вызывают дестабилизацию белковой молекулы за
счет связывания ионов фосфата, происходит дефосфорилирование g -субъединицы и b2-субъединиц. В
условиях деполяризации, согласно принципу работы
углеродного наномотора [5] g -субъединица будет
вращаться по часовой стрелке. По мере вращения
g-субъединицы a-спиральные петли a- и b-субъединиц будут протонироваться и переходить в закрытое
состояние. При этом в активных центрах b-субъединиц
будут синтезироваться молекулы АТФ, которые будут
высвобождаться только при энергизации в следующем
цикле. Стадия набухания очень быстрая, по нашему
мнению, занимает около 1 мсек. На стадии набухания
АТФ-синтетаза будет выглядеть как гриб, выступая из
мембраны на 3–5 нм.
Теперь знайте, что ваше здоровье в ваших руках и эти
миниатюрные машины не любят, когда их кормят спиртными напитками и лекарствами, а предпочитают воду,
разнообразное питание и движение своего хозяина.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Касумов Э.А., Зайцева М.Г., Касумова И.В., Сенахова М.А. //Физиология растений. 1991. B.38. №. 2. С. 256-1.
2. K
asumov E.A., Kasumov R.E, Kasumova I.V., The role of the cyclic shrinkage – swelling in electron transfer and // Abstracts of
International conference «Photosynthesis research for sustainability», Baku, july 24-30, 2011, P.67.
3. К
асумов Э.А., Касумова И.В., Касумов Р.Э., Халилов Р.И. // Вестник Бакинского университета, серия естественных наук. 2012.
-№2. -С.42-51
4. Harris RA, Penniston JT, Asai J, Green DE. // Proc Natl Acad Sci U S A. 1968. –V. 59. –P. 830-837.
5. F
oroughi J, Spinks GM, Wallace GG, Oh J, Kozlov ME, Fang S, Mirfakhrai T, Madden JD, Shin MK, Kim SJ, Baughman RH. Science.
2011. -V334. –N.6055. P.494-7.
научные гипотезы
www.zoomedvet.ru
ЗооМедВет №2 2013
(ZooMedVet #2 2013)
43