Giải phỏp về sự biến đổi cấu trỳc khụng gian của phức hệ F1- F0 của enzym tham gia vào quỏ trỡnh tổng hợp ATP đó được xỏc định ở những vị trớ cỏc màng truyền dẫn năng lượng như màng trong của ty thể. Mới đõy việc phõn tớch cấu trỳc ở mức phõn giải rất cao
về phức hệ F1 của enzym ATP synthase của ty thể đó cung cấp nhiều thụng tin liờn quan đến sự tổng hợp ATP. Một đặc điểm quan trọng đó được mụ tả là cú sự thay đổi về cấu trỳc của cỏc tiểu đơn vịα và β cựng với tiểu đơn vịγ kộo căng qua rónh kỵ nước của phức hệ hexame α3 β3 của F1 xuống vựng cuống của phức hệ F1- F0. Hướng của tiểu đơn vị γ thớch hợp với vai trũ của nú là vị trớ truyền năng lượng được tạo ra bằng gradient proton đến trung tõm xỳc tỏc cho sự tổng hợp ATP được định khu trờn cỏc tiểu đơn vị α, β của phức hệ F1. Cơ chế “thay đổi vị trớ liờn kết” đó được đề nghị ngay từ ban đầu của Paul Boyer đó mang lại cho ụng và John Walker cựng nhận giải thưởng Nobel về hoỏ học năm 1997.
(A) (B)
Hỡnh 5.7
Mụ hỡnh phõn tử của ATP synthase (A) và ảnh hiển vi điện tử trờn màng (B) (Theo Boyer P., và Walker J., 1995)
Cơ chế thay đổi vị trớ hay trạng thỏi liờn kết của quỏ trỡnh tổng hợp ATP của phức hệ CF0- CF1 đó được phõn tớch. Ba trung tõm liờn kết nucleotid trờn enzym là trung tõm O (trung tõm mở) đún nhận sự liờn kết của ADP và Pi. Trung tõm L (Loose - trung tõm nới lỏng) trong đú ADP và Pi được liờn kết một cỏch lỏng lẻo, và trung tõm T (là trung tõm tạo ra liờn kết chặt giữa ADP và Pi). Những thay đổi cấu hỡnh khụng gian được điều khiển bằng sự di động của cỏc proton vượt qua màng ở giai đoạn một. Kết quả tỏc động của gradient proton là làm quay tiểu đơn vị γ trong enzym gõy nờn sự biến đổi lẫn nhau giữa cỏc trung tõm và làm thay đổi ỏi lực của cỏc trung tõm đối với cỏc nucleotid. Sự hỡnh thành ATP ở trung tõm T ở giai đoạn 2, nhưng sự ngưng tụ này của ADP và Pi khụng cần năng lượng bổ sung. Phức hệ enzym ATP-synthase gồm cú hai thành phần:
– Phần đầu là F1: Cú 5 tiểu đơn vị: cú ba bản sao cho mỗi tiểu đơn vịα và β, một bản sao cho 3 tiểu đơn vịδ, γ, ε. Phức hệ này liờn kết với phần đỏy F0 xuyờn qua màng.
– Phần đỏy F0 gồm cú: 10-12 bản sao c, 2 bản sao b, và 1 bản sao a (a1, b2, c10- 12)
Hai tiểu đơn vị a và b tạo thành thể cốđịnh (stator) giữ cố định hai tiểu đơn vịα và β của F1. F1 là một kờnh vận chuyển H+. Tiểu đơn vị c quay xung quanh thể cố định stator khi cú dũng proton H+ đi qua được coi là kờnh proton và tạo thành một rotor. Sự quay của tiểu đơn vị c sẽ tạo ra trạng thỏi thay đổi sự liờn kết của ADP và Pi để tổng hợp ATP. Năng
lượng gõy ra quỏ trỡnh quay tiểu đơn vị c là do gradient thế năng proton tạo ra. Quỏ trỡnh này cú thể diễn giải theo cỏc giai đoạn sau:
Proton di chuyển qua ATP synthase làm thay đổi ỏi lực liờn kết với vị trớ hoạt hoỏ ATP. Ở vị trớ 0, lỳc đú ΔG đối với ADP + Pi là xấp xỉ bằng 0. Khi cú dũng proton đi vào tạo thế năng giỳp cho ADP +Pi đi vào vị trớ L của tiểu đơn vịβ. Tiếp theo thế năng proton giỳp cho sự liờn kết giữa ADP + Pi được hỡnh thành ở vị trớ T của cấu hỡnh enzym ATP synthase để tạo thành ATP. Quỏ trỡnh tổng hợp ATP được diễn ra ở phần F1 của enzym ATP synthase. Mỗi vị trớ hoạt hoỏ lắp rỏp qua 3 nguyờn lý thay đổi cấu hỡnh F1 cú ỏi lực khỏc nhau đối với cơ chất và sản phẩm. Cấu hỡnh ở vị trớ O cú ỏi lực rất thấp với ADP + Pi. Cấu hỡnh ở vị trớ L cú ỏi lực lỏng lẻo với ADP+Pi. Cấu hỡnh ở vị trớ T cú ỏi lực chặt với ADP + Pi do đú sẽ làm cho liờn kết ADP với Pi gắn lại với nhau tạo thành ATP. ATP được tổng hợp theo cơ chế xỳc tỏc quay vũng (rotational catalysis). Tiểu đơn vị c của F0 và tiểu đơn vịγ của F1 quay vũng quanh cõn xứng với mỗi tiểu đơn vị α và β phự hợp với thời gian proton truyền qua tạo ra cỏc vị trớ hoạt hoỏ liờn tục thụng qua ba dạng cấu hỡnh khụng gian của thể F1 để tổng hợp ATP. Sơđồ quỏ trỡnh biến dạng khụng gian của cỏc tiểu đơn vị trong thể F1 được trỡnh bày ở hỡnh 5.8.
Hỡnh 5.8
Sơđồ sự thay đổi cấu hỡnh khụng gian của cỏc tiểu đơn vị trong F1 của bơm ATP synthase (a): Mụ hỡnh ba vị trớ kết hợp của ADP, Pi và ATP được hỡnh thành trờn phức hệ F1 – ATP synthase. (b): Cỏc tiến trỡnh kết hợp ADP và Pi cựng với việc hỡnh thành ATP trong phức hệ F1-ATP synthase. (Theo Cross và CS 1984).
(b)
(a)