| ATP sintetaza | |
|---|---|
| Identificatori | |
| Cod KF | 7.1.2.2 |
| numar CAS | 9000-83-3 |
| Baze de date de enzime | |
| IntEnz | Vedere IntEnz |
| BRENDA | intrare BRENDA |
| ExPASy | Vedere NiceZyme |
| MetaCyc | cale metabolică |
| KEGG | intrare KEGG |
| PRIAM | profil |
| Structuri PDB | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum |
| Ontologie genetică | AmiGO • EGO |
| Căutare | |
| PMC | articole |
| PubMed | articole |
| NCBI | proteine NCBI |
| CAS | 9000-83-3 |
| Fișiere media la Wikimedia Commons | |
Adenozin trifosfat sintaza ( ATP sintază , ATP fosfohidrolază, H + -transporting two-sector ATPaza) este un grup de enzime aparținând clasei translocazelor și care sintetizează adenozin trifosfat (ATP) din adenozin difosfat (ADP) și fosfat anorganic . Denumirea nomenclaturii este ATP-fosfohidrolază, totuși, din august 2018, enzima a fost transferată din clasa a treia (3.6.3.14) în clasa a șaptea (7.1.2.2 [1] ), deoarece reacția catalizată de enzimă se desfășoară într-un opus hidrolizei și nu poate fi descris folosind alte tipuri de reacții care caracterizează alte clase de enzime.
În clasificarea enzimelor, reacția de translocare efectuată de ATP sintetaza este descrisă de următoarea ecuație:
ATP + H 2 O + 4 H + [partea 1] \u003d ADP + F + 4 H + [partea 2]Energia pentru sinteza ATP sinteza provine adesea de la protoni care călătoresc de-a lungul unui gradient electrochimic , cum ar fi din lumenul tilacoidului în stroma cloroplastului sau din spațiul intermembranar (lumenul cristei ) în matricea mitocondrială . Reacția de sinteză este:
ADP + Fn → ATP + H2OATP sintetazele sunt foarte importante pentru viața aproape tuturor organismelor, deoarece ATP este unul dintre așa-numiții compuși macroergici, a căror hidroliză eliberează o cantitate semnificativă de energie.
Antibioticul oligomicina inhibă activitatea componentei FO a ATP sintazei mitocondriale.
ATP sintetaza F 1 F O prezentă în mitocondrii a fost foarte bine studiată.
Complexul ATP-sintază F O F 1 are forma unui corp fructifer al unei ciuperci, în care componenta F 1 este o pălărie, piciorul este subunitatea y a componentei F 1 și „rădăcinile” ciupercii. sunt componenta FO ancorată în membrană.
În termeni structurali și funcționali, ATP sintaza constă din două fragmente mari, notate prin simbolurile F 1 și F O . Primul dintre ele (factor de conjugare F 1 ) este orientat spre matricea mitocondrială și iese vizibil din membrană sub forma unei formațiuni sferice de 8 nm înălțime și 10 nm lățime. Este format din nouă subunități reprezentate de cinci tipuri de proteine. Lanțurile polipeptidice a trei subunități α și același număr de subunități β sunt împachetate în globule proteice similare ca structură, care împreună formează un hexamer (αβ)3, care arată ca o minge ușor aplatizată. La fel ca feliile de portocale dens împachetate, subunitățile α și β situate succesiv formează o structură caracterizată printr-o axă de simetrie triplă cu un unghi de rotație de 120°. În centrul acestui hexamer se află subunitatea y, care este formată din două lanțuri polipeptidice extinse și seamănă cu o tijă curbată ușor deformată de aproximativ 9 nm lungime. În acest caz, partea inferioară a subunității γ iese din sferă cu 3 nm spre complexul membranar F O. De asemenea, în interiorul hexamerului se află subunitatea minoră ε asociată cu γ. Ultima (a noua) subunitate este notată cu simbolul δ și este situată pe partea exterioară a lui F 1 .
Partea membranară a ATP sintetazei, numită factor de conjugare FO , este un complex proteic hidrofob care pătrunde prin membrană și are două semicanale în interior pentru trecerea protonilor de hidrogen ( nuclei de protiu ). În total, complexul FO conține o subunitate proteică de tip a, două copii ale subunității b și 9 până la 12 copii ale subunității c mici. Subunitatea a (greutatea moleculară 20 kDa) este complet scufundată în membrană, unde formează șase secțiuni elicoidale α care o traversează. Subunitatea b (greutate moleculară 30 kDa) conține doar o singură regiune α-helicală relativ scurtă scufundată în membrană, în timp ce restul iese în mod vizibil din membrană spre F1 și este atașată de subunitatea δ situată pe suprafața sa. Fiecare dintre cele 9-12 copii ale subunității c (greutate moleculară 6-11 kDa) este o proteină relativ mică de două elice α hidrofobe conectate între ele printr-o buclă hidrofilă scurtă orientată spre F 1 și toate împreună formează un singur ansamblu având forma unui cilindru scufundat în membrană. Subunitatea γ care iese din complexul F 1 spre F O este cu precizie scufundată în interiorul acestui cilindru și este destul de puternic agățată de acesta.
Nomenclatura enzimei este de origine tradițională și, prin urmare, destul de inconsecventă.
Denumirea componentei F1 este prescurtarea pentru „Fracția 1 ” (partea 1), iar simbolul FO (litera O este scrisă în index, nu zero) a indicat locul de legare al oligomicinei.
Unele subunități ale enzimei au, de asemenea, denumiri de litere:
Altele sunt notații mai complexe:
Componenta F 1 este suficient de mare (diametrul său este de 9 nm) pentru a fi vizibilă într-un microscop electronic cu transmisie cu colorare negativă [2] .
Particulele F 1 sunt punctate cu membrana mitocondrială interioară. Inițial, se credea că acestea conțin întregul aparat respirator al mitocondriilor. Cu toate acestea, după lungi experimente, grupul lui Ephraim Reker (care a izolat pentru prima dată componenta F 1 în 1961) a arătat că aceste particule sunt asociate cu activitatea ATPazei, inclusiv în mitocondriile separate și în particulele submitocondriale formate în timpul acțiunii ultrasonice asupra mitocondriilor. Multe studii suplimentare în diferite laboratoare au confirmat această activitate a ATPazei.
În anii 60-70 ai secolului XX, Paul Boyer a sugerat că sinteza ATP este asociată cu modificări ale configurației ATP sintetazei cauzate de rotația subunității y, așa-numitul mecanism de schimbare a site-ului de legare („ flip-flop ” ) . O echipă de cercetare condusă de John E. Walker, pe atunci la Laboratorul de Biologie Moleculară, Cambridge, a reușit să izoleze complexul catalitic ATP-sintaza F 1 în formă cristalină. La acea vreme, era cea mai mare structură proteică asimetrică cunoscută de știință. Cercetările ei au arătat că modelul lui Boyer de cataliză rotativă este corect. Pentru această descoperire, Boyer și Walker au primit jumătate din Premiul Nobel pentru Chimie în 1997. Repriza a doua a fost acordată lui Jens Christian Skow „pentru prima descoperire a enzimei care transportă ionii - Na + , K + -adenozin trifosfatază”.
Cristalul F 1 constă din subunități alternante α și β (3 de fiecare tip) dispuse ca felii de portocală în jurul unei subunități y asimetrice. Conform modelului acceptat de sinteză a ATP (numit și modelul de cataliză variabilă), un gradient de câmp electric direcționat peste membrana mitocondrială interioară și datorită lanțului de transport de electroni face ca protonii să treacă prin membrană prin componenta ATP sintaza FO . O parte a componentei FO ( un inel de subunități c ) se rotește pe măsură ce protonii trec prin membrană. Acest inel C este strâns cuplat la un picior central asimetric (constând în principal din subunitatea y), care, la rândul său, se rotește în regiunea α 3 β 3 a componentei F 1 . Acest lucru face ca cele trei situsuri de cataliză care se leagă de nucleotide să sufere modificări ale configurației care conduc la sinteza ATP.
Subunitățile principale (α 3 β 3 ) ale componentei F 1 sunt conectate printr-un picior lateral suplimentar la locul FO fix , ceea ce le împiedică să se rotească împreună cu subunitatea y. Structura ATP sintazei intacte a fost dezvăluită cu o acuratețe scăzută folosind criomicroscopia electronică (ECM). Se arată că piciorul lateral este un săritor flexibil, asemănător unei frânghii, înfășurat în jurul complexului în timpul funcționării acestuia.
La fiecare turnover a subunității γ , trei molecule de ATP sunt sintetizate de 360 0. În același timp, aparent, în diferite organisme, de la 10 la 14 protoni trec din spațiul intermembranar în matrice - în funcție de numărul de c- subunități [3] .
În anumite condiții, reacția catalitică poate avea loc în sens invers, hidroliza ATP-ului determinând pomparea protonilor prin membrană.
Mecanismul de schimbare a locului de legare implică locul activ al subunității β, care trece succesiv prin trei stări [4] .
În starea „deschisă”, ADP și fosfatul se apropie de locul activ. Proteina îmbrățișează apoi aceste molecule și se leagă liber de ele (starea „liberă”). Următoarea modificare a formei proteinei presează moleculele împreună (o stare „strânsă”), ceea ce duce la formarea de ATP. În cele din urmă, locul activ intră din nou în starea „deschisă”, eliberează ATP și leagă următoarea moleculă de ADP și fosfat, după care ciclul de producere a ATP se repetă.
Ca multe alte enzime, acțiunea ATP sintetazei F 1 F O este reversibilă. Concentrațiile mari de ATP îl determină să descompună ATP și să creeze un gradient de protoni transmembranar. Această utilizare a ATP sintetazei a fost observată în bacteriile anaerobe lipsite de un lanț de transport de electroni. Aceste bacterii folosesc hidroliza ATP pentru a crea un gradient de protoni care este implicat în mișcarea flagelară și în nutriția celulară.
În bacteriile aerobe, în condiții normale, ATP sintaza tinde să funcționeze invers, producând ATP din energia potențialului electrochimic creat de lanțul de transport de electroni. În general, acest proces se numește fosforilare oxidativă . De asemenea, se desfășoară în mitocondriile eucariote , pe membrana interioară a căreia se află moleculele de ATP sintază, iar componenta F 1 se află în matrice , unde se desfășoară procesul de sinteză a ATP din ADP și fosfat.
Eficiența ATP sintetazei este aproape de 100% [5] .
La plante, CF 1 FO ATP sintaza este prezentă în cloroplaste . Este înglobat în membrana tilacoidă , iar componenta CF 1 iese în stromă , unde au loc reacțiile întunecate ale fotosintezei (numite și reacții independente de lumină ale ciclului Calvin ). Structura și mecanismul de cataliză a ATP sintazei în cloroplaste este aproape aceeași ca și în mitocondrii. Cu toate acestea, potențialul electrochimic din cloroplaste este format nu de lanțul de transport de electroni respirator, ci de alți complexe - fotosistemul II și complexul citocrom b6 /f .
E. coli ATP sintaza este cea mai simplă dintre toate ATP sintazele cunoscute. Este format din doar 8 tipuri de subunități.
În schimb, ATP sintetaza drojdiei este cea mai complexă cunoscută. Este format din 20 de tipuri diferite de subunități.
Evoluția ATP sintazei este considerată un exemplu de evoluție modulară, în care două subunități, fiecare cu funcții proprii, au combinat și au primit funcții noi.
Hexamerul α 3 β 3 , care face parte din componenta F 1 , prezintă o asemănare semnificativă cu ADN helicaza hexamerică . Ambele tipuri de enzime formează un inel cu simetrie de rotație de ordinul 3, care are un por central. Acțiunea fiecăruia dintre ele depinde și de rotația relativă a macromoleculei în interiorul porului: helicazele folosesc forma elicoidală a ADN-ului pentru a se deplasa de-a lungul acestuia și pentru a detecta supraînfăşurarea, în timp ce hexamerul α 3 β 3 utilizează modificări ale configurației sale datorită rotația subunității y pentru a efectua reacția catalitică.
Motorul protonic al componentei FO prezintă o mare similitudine funcțională cu motoarele protonice ale flagelilor. În ambele, există un inel de multe proteine mici, bogate în α-helix, care se rotesc în raport cu proteinele imobile învecinate datorită energiei gradientului de protoni. Aceasta, desigur, este o similitudine foarte șubredă, deoarece structura motoarelor flagelare este mult mai complexă decât FO , iar inelul proteic rotativ este mult mai mare și constă din 30 de subunități față de 10, 11 sau 14 care alcătuiesc componenta FO .
Teoria evoluției moleculare sugerează că două subunități cu funcții independente, o helicază ADN cu o acțiune suplimentară de ATPază și un motor de protoni, s-au putut combina, iar rotația motorului a provocat manifestarea activității ATPazei a helicazei. Sau, dimpotrivă, în ligamentul primar al ADN helicazei și al motorului de protoni, hidroliza ATP pe elicază a făcut ca motorul de protoni să funcționeze. Acest compus a fost apoi optimizat treptat, a câștigat capacitatea de a cataliza reacția inversă și, în timp, a evoluat în complexul ATP sintaza care există astăzi. Cu toate acestea, mecanismul de origine a motorului de protoni este încă neclar, ceea ce nu este de nici un folos fără helicază sau alte complexe.