| ATP-syntas | |
|---|---|
| Identifierare | |
| Kod KF | 7.1.2.2 |
| CAS-nummer | 9000-83-3 |
| Enzymdatabaser | |
| IntEnz | IntEnz-vy |
| BRENDA | BRENDA inträde |
| ExPASy | NiceZyme-vy |
| MetaCyc | Metabolisk väg |
| KEGG | KEGG inträde |
| PRIAM | profil |
| PDB- strukturer | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum |
| Genontologi | AmiGO • EGO |
| Sök | |
| PMC | artiklar |
| PubMed | artiklar |
| NCBI | NCBI-proteiner |
| CAS | 9000-83-3 |
| Mediafiler på Wikimedia Commons | |
Adenosintrifosfatsyntas ( ATP-syntas , ATP-fosfohydrolas, H + -transporterande tvåsektor ATPas) är en grupp enzymer som tillhör klassen translokaser och som syntetiserar adenosintrifosfat (ATP) från adenosindifosfat (ADP) och oorganiskt fosfat . Nomenklaturnamnet är ATP-fosfohydrolas, men sedan augusti 2018 har enzymet överförts från den tredje (3.6.3.14) till den sjunde klassen (7.1.2.2 [1] ), eftersom reaktionen som katalyseras av enzymet fortsätter i en tvärtemot hydrolys och kan inte beskrivas med andra typer av reaktioner som kännetecknar andra klasser av enzymer.
I klassificeringen av enzymer beskrivs translokationsreaktionen som utförs av ATP-syntas med följande ekvation:
ATP + H 2 O + 4 H + [sida 1] \u003d ADP + F + 4 H + [sida 2]Energin för syntes av ATP-syntas kommer ofta från protoner som reser längs en elektrokemisk gradient , såsom från tylakoidlumen in i kloroplaststroma eller från intermembranutrymmet (lumen av crista ) in i mitochondrial matris . Syntesreaktionen är:
ADP + Fn → ATP + H2OATP-syntaser är mycket viktiga för nästan alla organismers liv, eftersom ATP är en av de så kallade makroergiska föreningarna, vars hydrolys frigör en betydande mängd energi.
Antibiotikumet oligomycin hämmar aktiviteten hos FO- komponenten i mitokondriellt ATP-syntas.
ATP-syntas F 1 F O som finns i mitokondrier har studerats mycket väl.
ATP-syntaskomplexet F O F 1 är format som en fruktkropp av en svamp, där F 1 -komponenten är en hatt, benet är γ-subenheten till F 1 -komponenten och svampens "rötter" är FO-komponenten förankrad i membranet.
I strukturella och funktionella termer består ATP-syntas av två stora fragment, betecknade med symbolerna F 1 och F O . Den första av dem (konjugationsfaktor F 1 ) vetter mot mitokondriella matrisen och sticker märkbart ut från membranet i form av en sfärisk formation 8 nm hög och 10 nm bred. Den består av nio subenheter representerade av fem typer av proteiner. Polypeptidkedjorna av tre α-subenheter och samma antal β-subenheter packas i proteinkulor liknande struktur, som tillsammans bildar en hexamer (αβ)3, som ser ut som en något tillplattad boll. Liksom tätt packade apelsinskivor bildar de successivt placerade α- och β-subenheterna en struktur som kännetecknas av en trefaldig symmetriaxel med en rotationsvinkel på 120°. I mitten av denna hexamer finns y-subenheten, som bildas av två förlängda polypeptidkedjor och liknar en något deformerad krökt stav ca 9 nm lång. I detta fall sticker den nedre delen av y-subenheten ut från sfären med 3 nm mot FO-membrankomplexet . Också inuti hexameren finns den mindre subenheten ε associerad med γ. Den sista (nionde) underenheten betecknas med symbolen δ och är belägen på utsidan av F 1 .
Membrandelen av ATP-syntas, som kallas konjugationsfaktorn FO , är ett hydrofobt proteinkomplex som penetrerar membranet genom och har två halvkanaler inuti för passage av väteprotoner ( protiumkärnor ). Totalt innehåller FO-komplexet en proteinsubenhet av typ a, två kopior av b-subenheten och 9 till 12 kopior av den lilla c-subenheten. Subenhet a (molekylvikt 20 kDa) är helt nedsänkt i membranet, där den bildar sex α-spiralformade sektioner som korsar det. Subenhet b (molekylvikt 30 kDa) innehåller endast en relativt kort α-spiralformad region nedsänkt i membranet, medan resten av den märkbart sticker ut från membranet mot F1 och är fäst vid δ-subenheten på dess yta. Var och en av de 9-12 kopiorna av c-subenheten (molekylvikt 6-11 kDa) är ett relativt litet protein av två hydrofoba α-helixar kopplade till varandra genom en kort hydrofil slinga orienterad mot F 1 , och alla tillsammans bildar en enda ensemble som har formen av en cylinder nedsänkt i membranet. γ-subenheten som sticker ut från F 1 -komplexet mot F O är exakt nedsänkt inuti denna cylinder och är ganska starkt fasthakad vid den.
Enzymets nomenklatur är av traditionellt ursprung och därför ganska inkonsekvent.
Beteckningen för komponenten F 1 är förkortning för "fraktion 1" (del 1), och symbolen FO (bokstaven O är skriven i indexet, inte noll) betecknade bindningsstället för oligomycin.
Vissa underenheter av enzymet har också bokstavsbeteckningar:
Andra är mer komplexa notationer:
F 1 -komponenten är tillräckligt stor (dess diameter är 9 nm) för att vara synlig i ett transmissionselektronmikroskop med negativ färgning [2] .
F 1 -partiklar är prickade med det inre mitokondriella membranet. Till en början troddes de innehålla hela andningsapparaten i mitokondrierna. Efter långa experiment visade gruppen Ephraim Reker (som först isolerade F 1 -komponenten 1961) att dessa partiklar är associerade med ATPas-aktivitet, inklusive i separerade mitokondrier, och i submitokondriella partiklar som bildas under ultraljudsverkan på mitokondrier. Många ytterligare studier i olika laboratorier bekräftade denna ATPas-aktivitet.
På 60-70-talet av 1900-talet föreslog Paul Boyer att ATP-syntes är associerad med förändringar i konfigurationen av ATP-syntas orsakade av rotationen av γ-subenheten, den så kallade bindningsställebytemekanismen (" flip-flop " ) . En forskargrupp ledd av John E. Walker, då vid Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, lyckades isolera det katalytiska ATP-syntas F 1 -komplexet i kristallin form. På den tiden var det den största asymmetriska proteinstrukturen som vetenskapen kände till. Hennes forskning har visat att Boyers modell för roterande katalys är korrekt. För denna upptäckt fick Boyer och Walker hälften av Nobelpriset i kemi 1997. Den andra halvan tilldelades Jens Christian Skow "för den första upptäckten av enzymet som transporterar joner - Na + , K + -adenosintrifosfatas."
F 1 -kristallen består av alternerande α- och β-subenheter (3 av varje typ) arrangerade som apelsinskivor runt en asymmetrisk γ-subenhet. Enligt den accepterade modellen för ATP-syntes (även kallad den ombytliga katalysmodellen) får en elektrisk fältgradient riktad över det inre mitokondriella membranet och på grund av elektrontransportkedjan att protoner passerar genom membranet genom ATP-syntaskomponenten FO . En del av FO-komponenten ( en ring av c-subenheter ) roterar när protoner passerar genom membranet. Denna c-ring är tätt kopplad till ett asymmetriskt centralt ben (bestående huvudsakligen av y-subenheten), som i sin tur roterar inom α3β3 - regionen av F1 - komponenten . Detta gör att de tre katalysställena som binder till nukleotider genomgår förändringar i konfigurationen som leder till ATP-syntes.
Huvudsubenheterna (α 3 β 3 ) av F 1 -komponenten är anslutna med ett ytterligare lateralt ben till det fixerade FO-stället , vilket förhindrar dem från att rotera tillsammans med y-subenheten. Strukturen av intakt ATP-syntas avslöjades med låg noggrannhet med hjälp av elektronkryomikroskopi (ECM). Det visas att sidobenet är en flexibel bygel, liknande ett rep, lindad runt komplexet under dess operation.
Med varje omsättning av γ-subenheten syntetiseras tre ATP-molekyler av 360 0. Samtidigt, tydligen, i olika organismer, passerar från 10 till 14 protoner från intermembranutrymmet in i matrisen - beroende på antalet c- underenheter [3] .
Under vissa förhållanden kan den katalytiska reaktionen fortsätta i motsatt riktning, med hydrolys av ATP som orsakar pumpning av protoner genom membranet.
Mekanismen för att ändra bindningsstället involverar det aktiva stället för β-subenheten, som successivt passerar genom tre tillstånd [4] .
I det "öppna" tillståndet närmar sig ADP och fosfat den aktiva platsen. Proteinet omfattar sedan dessa molekyler och binder fritt till dem (det "fria" tillståndet). Nästa förändring av proteinets form pressar samman molekylerna (ett "tight" tillstånd), vilket leder till bildandet av ATP. Slutligen går det aktiva stället igen in i det "öppna" tillståndet, frisätter ATP och binder nästa molekyl av ADP och fosfat, varefter cykeln av ATP-produktion upprepas.
Liksom många andra enzymer är verkan av ATP-syntas F 1 F O reversibel. Stora koncentrationer av ATP gör att det bryter ner ATP och skapar en transmembranprotongradient. Denna användning av ATP-syntas har noterats i anaeroba bakterier som saknar en elektrontransportkedja. Dessa bakterier använder ATP-hydrolys för att skapa en protongradient som är involverad i flagellära rörelser och cellulär näring.
I aeroba bakterier, under normala förhållanden, tenderar ATP-syntas att arbeta omvänt och producerar ATP från energin från den elektrokemiska potential som skapas av elektrontransportkedjan. I allmänhet kallas denna process oxidativ fosforylering . Det fortsätter också i eukaryota mitokondrier , på det inre membranet av vilket ATP-syntasmolekyler är belägna, och F 1 -komponenten finns i matrisen , där processen för ATP-syntes från ADP och fosfat fortsätter.
Effektiviteten för ATP-syntas är nära 100 % [5] .
I växter finns CF 1 FO ATP -syntas i kloroplaster . Det är inbäddat i thylakoidmembranet och CF 1 -komponenten sticker ut i stroma , där de mörka reaktionerna av fotosyntes inträffar (även kallade ljusoberoende reaktioner i Calvin-cykeln ). Strukturen och mekanismen för katalys av ATP-syntas i kloroplaster är nästan densamma som i mitokondrier. Den elektrokemiska potentialen i kloroplaster bildas dock inte av den respiratoriska elektrontransportkedjan, utan av andra komplex - fotosystem II och b6 /f cytokromkomplexet .
E. coli ATP-syntas är den enklaste av alla kända ATP-syntaser. Den består av endast 8 typer av underenheter.
Däremot är ATP-syntas från jäst det mest komplexa kända. Den består av 20 olika typer av underenheter.
Utvecklingen av ATP-syntas anses vara ett exempel på modulär utveckling, där två subenheter, var och en med sina egna funktioner, kombinerade och fick nya funktioner.
α 3 β 3 hexameren , som är en del av F 1 - komponenten , visar betydande likhet med det hexameriska DNA - helikaset . Båda typerna av enzymer bildar en ring med 3:e ordningens rotationssymmetri, som har en central por. Verkan hos var och en av dem beror också på den relativa rotationen av makromolekylen inuti poren: helikaser använder DNA:ts spiralform för att röra sig längs den och för att detektera supercoiling, medan α 3 β 3 hexameren använder förändringar i sin konfiguration p.g.a. rotationen av y-subenheten för att utföra den katalytiska reaktionen.
FO-komponentens protonmotor uppvisar en stor funktionell likhet med flagellas protonmotorer. I båda finns en ring av många små, α-helixrika proteiner som roterar i förhållande till närliggande orörliga proteiner på grund av energin i protongradienten. Detta är naturligtvis en mycket skakig likhet, eftersom strukturen hos flagellmotorer är mycket mer komplex än FO , och den roterande proteinringen är mycket större och består av 30 subenheter jämfört med 10, 11 eller 14 som utgör FO- komponenten .
Teorin om molekylär evolution antyder att två subenheter med oberoende funktioner, en DNA-helikas med en extra ATPase-verkan och en protonmotor, kunde kombineras, och rotationen av motorn orsakade manifestationen av helikasens ATPase-aktivitet. Eller omvänt, i det primära ligamentet av DNA-helikasen och protonmotorn, fick ATP-hydrolys på helikasen att protonmotorn fungerade. Denna förening optimerades sedan gradvis, fick förmågan att katalysera den omvända reaktionen och utvecklades med tiden till det komplexa ATP-syntas som finns idag. Mekanismen för protonmotorns ursprung är dock fortfarande oklar, vilket inte är till någon nytta utan helikas eller andra komplex.