| ATP syntase | |
|---|---|
| Identifikatorer | |
| Kode KF | 7.1.2.2 |
| CAS nummer | 9000-83-3 |
| Enzymdatabaser | |
| IntEnz | IntEnz visning |
| BRENDA | BRENDA indgang |
| ExPASy | NiceZyme udsigt |
| MetaCyc | metabolisk vej |
| KEGG | KEGG indgang |
| PRIAM | profil |
| FBF strukturer | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum |
| Gen-ontologi | AmiGO • EGO |
| Søg | |
| PMC | artikler |
| PubMed | artikler |
| NCBI | NCBI proteiner |
| CAS | 9000-83-3 |
| Mediefiler på Wikimedia Commons | |
Adenosintriphosphatsyntase ( ATP-syntase , ATP-phosphohydrolase, H + -transporterende to-sektor ATPase) er en gruppe enzymer , der tilhører klassen af translokaser og syntetiserer adenosintriphosphat (ATP) fra adenosindiphosphat (ADP) og uorganisk phosphat . Nomenklaturnavnet er ATP-phosphohydrolase, men siden august 2018 er enzymet blevet overført fra den tredje (3.6.3.14) til den syvende klasse (7.1.2.2 [1] ), da reaktionen katalyseret af enzymet forløber i en modsat hydrolyse , og kan ikke beskrives ved hjælp af andre typer reaktioner, der karakteriserer andre klasser af enzymer.
I klassificeringen af enzymer beskrives translokationsreaktionen udført af ATP-syntase med følgende ligning:
ATP + H 2 O + 4 H + [side 1] \u003d ADP + F + 4 H + [side 2]Energien til ATP-syntasesyntese kommer ofte fra protoner , der bevæger sig langs en elektrokemisk gradient , såsom fra thylakoidlumenet ind i chloroplaststromaet eller fra det intermembrane rum (lumenet af crista ) ind i mitokondriematrixen . Syntesereaktionen er:
ADP + Fn → ATP + H2OATP-syntaser er meget vigtige for næsten alle organismers liv, da ATP er en af de såkaldte makroerge forbindelser, hvis hydrolyse frigiver en betydelig mængde energi.
Antibiotikummet oligomycin hæmmer aktiviteten af FO -komponenten af mitokondriel ATP-syntase.
ATP-syntasen F 1 F O til stede i mitokondrier er blevet meget godt undersøgt.
ATP-syntasekomplekset F O F 1 er formet som et frugtlegeme af en svamp, hvor F 1 -komponenten er en hat, benet er γ-underenheden af F 1 -komponenten og svampens "rødder" er FO-komponenten forankret i membranen.
I strukturelle og funktionelle termer består ATP-syntase af to store fragmenter, betegnet med symbolerne F 1 og F O . Den første af dem (konjugationsfaktor F 1 ) vender mod mitokondriematrixen og rager mærkbart ud fra membranen i form af en sfærisk formation 8 nm høj og 10 nm bred. Den består af ni underenheder repræsenteret af fem typer proteiner. Polypeptidkæderne af tre α-underenheder og det samme antal β-underenheder er pakket ind i proteinkugler, der ligner struktur, som tilsammen danner en hexamer (αβ)3, der ligner en let fladtrykt kugle. Som tætpakkede appelsinskiver danner de successivt placerede α- og β-underenheder en struktur, der er karakteriseret ved en tredobbelt symmetriakse med en rotationsvinkel på 120°. I centrum af denne hexamer er y-underenheden, som er dannet af to forlængede polypeptidkæder og ligner en let deformeret buet stav på ca. 9 nm lang. I dette tilfælde rager den nederste del af y-underenheden ud fra kuglen med 3 nm mod F O- membrankomplekset . Også inde i hexameren er den mindre underenhed ε forbundet med γ. Den sidste (niende) underenhed er betegnet med symbolet δ og er placeret på ydersiden af F 1 .
Membrandelen af ATP-syntase, kaldet konjugationsfaktoren FO , er et hydrofobt proteinkompleks, der trænger igennem membranen og har to halvkanaler indeni til passage af brintprotoner ( protiumkerner ). I alt indeholder FO-komplekset én type a-proteinunderenhed, to kopier af b-underenheden og 9 til 12 kopier af den lille c-underenhed. Underenhed a (molekylvægt 20 kDa) er fuldstændig nedsænket i membranen, hvor den danner seks α-spiralformede sektioner, der krydser den. Underenhed b (molekylvægt 30 kDa) indeholder kun én relativt kort α-spiralformet region nedsænket i membranen, mens resten af den mærkbart rager ud fra membranen mod F1 og er knyttet til δ-underenheden placeret på dens overflade. Hver af de 9-12 kopier af c-underenheden (molekylvægt 6-11 kDa) er et relativt lille protein af to hydrofobe α-helixer forbundet til hinanden af en kort hydrofil sløjfe orienteret mod F 1 , og alle sammen danner en enkelt ensemble med form som en cylinder nedsænket i membranen. γ-underenheden , der rager ud fra F 1 -komplekset mod F O , er præcist nedsænket inde i denne cylinder og er ret stærkt hægtet til den.
Enzymets nomenklatur er af traditionel oprindelse og derfor ret inkonsekvent.
Betegnelsen for komponenten F 1 er en forkortelse for "fraktion 1" (del 1), og symbolet FO (bogstavet O er skrevet i indekset, ikke nul) betegnede bindingsstedet for oligomycin.
Nogle underenheder af enzymet har også bogstavbetegnelser:
Andre er mere komplekse notationer:
F 1 komponenten er stor nok (dens diameter er 9 nm) til at være synlig i et transmissionselektronmikroskop med negativ farvning [2] .
F 1 partikler er prikket med den indre mitokondriemembran. Oprindeligt mentes de at indeholde hele mitokondriernes respirationsapparat. Efter lange eksperimenter viste gruppen af Ephraim Reker (som først isolerede F 1 -komponenten i 1961), at disse partikler er forbundet med ATPase-aktivitet, herunder i adskilte mitokondrier, og i submitokondrielle partikler dannet under ultralydsvirkning på mitokondrier. Mange yderligere undersøgelser i forskellige laboratorier bekræftede denne ATPase-aktivitet.
I 60-70'erne af det 20. århundrede foreslog Paul Boyer , at ATP-syntese er forbundet med ændringer i konfigurationen af ATP-syntase forårsaget af rotationen af γ-underenheden, den såkaldte bindingsstedsændringsmekanisme (" flip-flop " ) . Et forskerhold ledet af John E. Walker, dengang ved Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, lykkedes med at isolere det katalytiske ATP-syntase F 1 -kompleks i krystallinsk form. På det tidspunkt var det den største asymmetriske proteinstruktur kendt af videnskaben. Hendes forskning har vist, at Boyers model for roterende katalyse er korrekt. For denne opdagelse modtog Boyer og Walker halvdelen af Nobelprisen i kemi i 1997. Anden halvdel blev tildelt Jens Christian Skow "for den første opdagelse af enzymet, der transporterer ioner - Na + , K + -adenosintriphosphatase."
F 1 -krystallen består af alternerende α- og β-underenheder (3 af hver type) arrangeret som appelsinskiver omkring en asymmetrisk γ-underenhed. Ifølge den accepterede model for ATP-syntese (også kaldet den ustadige katalysemodel) får en elektrisk feltgradient rettet hen over den indre mitokondriemembran og på grund af elektrontransportkæden protoner til at passere gennem membranen gennem ATP-syntasekomponenten FO . En del af FO-komponenten ( en ring af c-underenheder ) roterer, når protoner passerer gennem membranen. Denne c-ring er tæt koblet til et asymmetrisk centralt ben (bestående hovedsageligt af y-underenheden), som igen roterer inden for α 3 β 3 -området af F 1 -komponenten . Dette får de tre katalysesteder, der binder til nukleotider, til at gennemgå ændringer i konfigurationen, hvilket fører til ATP-syntese.
Hovedunderenhederne (α 3 β 3 ) af F 1 -komponenten er forbundet med et ekstra lateralt ben til det faste FO-sted , hvilket forhindrer dem i at rotere sammen med γ-underenheden. Strukturen af intakt ATP-syntase blev afsløret med lav nøjagtighed ved hjælp af elektronkryomikroskopi (ECM). Det er vist, at sidebenet er en fleksibel jumper, der ligner et reb, viklet rundt om komplekset under dets drift.
Ved hver omsætning af γ-underenheden syntetiseres tre ATP-molekyler med 360 0. Samtidig passerer tilsyneladende i forskellige organismer fra 10 til 14 protoner fra intermembranrummet ind i matrixen - alt efter antallet af c- underenheder [3] .
Under visse forhold kan den katalytiske reaktion forløbe i den modsatte retning, hvor hydrolysen af ATP forårsager pumpning af protoner gennem membranen.
Mekanismen til at ændre bindingsstedet involverer det aktive sted af β-underenheden, som successivt passerer gennem tre tilstande [4] .
I "åben" tilstand nærmer ADP og fosfat sig det aktive sted. Proteinet omfavner derefter disse molekyler og binder sig frit til dem (den "frie" tilstand). Den næste ændring i proteinets form presser molekylerne sammen (en "stram" tilstand), hvilket fører til dannelsen af ATP. Til sidst går det aktive sted igen i "åben" tilstand, frigiver ATP og binder det næste molekyle af ADP og fosfat, hvorefter cyklussen med ATP-produktion gentages.
Som mange andre enzymer er virkningen af ATP-syntase F 1 F O reversibel. Store koncentrationer af ATP får det til at nedbryde ATP og skabe en transmembran protongradient. Denne brug af ATP-syntase er blevet bemærket i anaerobe bakterier, der mangler en elektrontransportkæde. Disse bakterier bruger ATP-hydrolyse til at skabe en protongradient, der er involveret i flagellær bevægelse og cellulær ernæring.
I aerobe bakterier, under normale forhold, har ATP-syntase en tendens til at arbejde omvendt og producerer ATP fra energien fra det elektrokemiske potentiale, der skabes af elektrontransportkæden. Generelt kaldes denne proces oxidativ phosphorylering . Det fortsætter også i eukaryote mitokondrier , på den indre membran, hvis ATP-syntasemolekyler er placeret, og F 1 -komponenten er i matrixen , hvor processen med ATP-syntese fra ADP og fosfat fortsætter.
Effektiviteten af ATP-syntase er tæt på 100 % [5] .
I planter er CF 1 FO ATP -syntase til stede i kloroplaster . Det er indlejret i thylakoidmembranen , og CF 1 -komponenten stikker ud i stromaen , hvor de mørkereaktioner af fotosyntese forekommer (også kaldet lys-uafhængige reaktioner i Calvin-cyklussen ). Strukturen og mekanismen for katalyse af ATP-syntase i kloroplaster er næsten den samme som i mitokondrier. Imidlertid dannes det elektrokemiske potentiale i kloroplaster ikke af den respiratoriske elektrontransportkæde, men af andre komplekser - fotosystem II og b6 /f cytochromkomplekset .
E. coli ATP-syntase er den enkleste af alle kendte ATP-syntaser. Den består af kun 8 typer underenheder.
I modsætning hertil er gær ATP-syntase den mest komplekse kendte. Den består af 20 forskellige typer underenheder.
Udviklingen af ATP-syntase betragtes som et eksempel på modulær evolution, hvor to underenheder, hver med sine egne funktioner, kombinerede og modtog nye funktioner.
α 3 β 3 hexameren , som er en del af F 1 komponenten , viser betydelig lighed med den hexameriske DNA helicase . Begge typer enzymer danner en ring med 3. ordens rotationssymmetri, som har en central pore. Virkningen af hver af dem afhænger også af makromolekylets relative rotation inde i poren: helikaser bruger DNA'ets spiralform til at bevæge sig langs det og til at detektere supercoiling, mens α 3 β 3 hexameren bruger ændringer i sin konfiguration pga. rotationen af γ-underenheden for at udføre den katalytiske reaktion.
FO-komponentens protonmotor viser en stor funktionel lighed med flagellas protonmotorer. I begge er der en ring af mange små, α-helix-rige proteiner, der roterer i forhold til nærliggende immobile proteiner på grund af energien fra protongradienten. Dette er selvfølgelig en meget rystende lighed, da strukturen af flagelmotorer er meget mere kompleks end FO , og den roterende proteinring er meget større og består af 30 underenheder versus 10, 11 eller 14, der udgør FO- komponenten .
Teorien om molekylær evolution antyder, at to underenheder med uafhængige funktioner, en DNA-helicase med en yderligere ATPase-virkning og en protonmotor, var i stand til at kombinere, og rotationen af motoren forårsagede manifestationen af helicasens ATPase-aktivitet. Eller omvendt, i det primære ligament af DNA-helikasen og protonmotoren, fik ATP-hydrolyse på helicasen protonmotoren til at virke. Denne forbindelse blev derefter gradvist optimeret, fik evnen til at katalysere den omvendte reaktion og udviklede sig over tid til den komplekse ATP-syntase, der eksisterer i dag. Imidlertid er mekanismen for oprindelsen af protonmotoren stadig uklar, hvilket ikke er til nogen nytte uden helicase eller andre komplekser.