АТФ-синтаза - ATP synthase

АТФ-синтаза
Atp synthase.PNG
Молекулярная модель АТФ-синтазы, определенная методом рентгеновской кристаллографии . Статор здесь не показан.
Идентификаторы
ЕС нет. 7.1.2.2
№ CAS 9000-83-3
Базы данных
IntEnz Просмотр IntEnz
BRENDA BRENDA запись
ExPASy Просмотр NiceZyme
КЕГГ Запись в KEGG
MetaCyc метаболический путь
ПРИАМ профиль
Структуры PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтология Amigo / QuickGO

АТФ-синтаза - это белок, который катализирует образование молекулы-накопителя энергии аденозинтрифосфата (АТФ) с использованием аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (P i ). Он классифицируется как лигазы, поскольку он изменяет ADP путем образования связи PO (фосфодиэфирной связи). Общая реакция, катализируемая АТФ-синтазой, такова:

  • АДФ + Р я + 2Н + из ⇌ АТФ + Н 2 О + 2H + в

Образование АТФ из АДФ и P i энергетически невыгодно и обычно протекает в обратном направлении. Чтобы ускорить эту реакцию, АТФ-синтаза связывает синтез АТФ во время клеточного дыхания с электрохимическим градиентом, создаваемым разницей в концентрации протонов (H + ) на внутренней митохондриальной мембране у эукариот или плазматической мембране у бактерий. Во время фотосинтеза у растений АТФ синтезируется АТФ-синтазой с использованием протонного градиента, создаваемого в просвете тилакоидов через тилакоидную мембрану и в строму хлоропластов .

Эукариотические АТФ-синтазы - это F-АТФазы , работающие «наоборот» по отношению к АТФазе . Эта статья посвящена в основном этому типу. F-АТФаза состоит из двух основных субъединиц, F O и F 1 , которые имеют вращательный моторный механизм, позволяющий производить АТФ. АТФ-синтаза - это молекулярная машина .

Номенклатура

Фракция F 1 получила свое название от термина «Фракция 1», а F O (написанная как нижняя буква «о», а не «ноль») получила свое название от фракции связывания олигомицина , типа природного антибиотика, который способен ингибировать F O- звено АТФ-синтазы. Эти функциональные области состоят из разных белковых субъединиц - см. Таблицы. Этот фермент используется в синтезе АТФ посредством аэробного дыхания.

Структура и функции

Митохондриальная АТФ-синтаза крупного рогатого скота. Области F O , F 1 , оси и статора имеют цветовую кодировку пурпурного, зеленого, оранжевого и голубого цветов соответственно.
Упрощенная модель FO F 1 -АТФазы, называемой АТФ-синтазой E. coli . Соответствующим образом обозначены субъединицы фермента.
Двигатель вращения АТФ-синтазы.

Расположенная внутри тилакоидной мембраны и внутренней митохондриальной мембраны , АТФ-синтаза состоит из двух областей F O и F 1 . F O вызывает вращение F 1 и состоит из c-кольца и субъединиц a, two b, F6. F 1 состоит из субъединиц α, β, γ и δ. F 1 имеет водорастворимую часть, которая может гидролизовать АТФ. F O, с другой стороны, имеет в основном гидрофобные области. F O F 1 создает путь для движения протонов через мембрану.

F 1 регион

Часть F 1 АТФ-синтазы является гидрофильной и отвечает за гидролиз АТФ. Единица F 1 выступает в пространство митохондриального матрикса. Субъединицы α и β образуют гексамер с 6 сайтами связывания. Три из них каталитически неактивны и связывают АДФ.

Три другие субъединицы катализируют синтез АТФ. Другие субъединицы F 1 γ, δ и ε являются частью механизма вращения двигателя (ротор / ось). Субъединица γ позволяет β проходить через конформационные изменения (т.е. закрытое, полуоткрытое и открытое состояния), которые позволяют АТФ связываться и высвобождаться после синтеза. Частица F 1 крупная, и ее можно увидеть в просвечивающем электронном микроскопе при отрицательном окрашивании. Это частицы диаметром 9 нм, пронизывающие внутреннюю митохондриальную мембрану.

F 1 - субъединицы
Субъединица Человеческий ген Примечание
альфа ATP5A1 , ATPAF2
бета ATP5B , ATPAF1 , C16orf7
гамма ATP5C1
дельта ATP5D Митохондриальная «дельта» - это бактериальный / хлоропластный эпсилон.
эпсилон ATP5E Уникально для митохондрий.
OSCP ATP5O Называется «дельта» в бактериальной и хлоропластической версиях.

F O регион

Субъединица F O F6 из периферического стебля АТФ-синтазы.

F O представляет собой нерастворимый в воде белок с восемью субъединицами и трансмембранным кольцом. Кольцо имеет форму тетрамера с белком спиральной петли, который претерпевает конформационные изменения при протонировании и депротонировании, заставляя соседние субъединицы вращаться, вызывая вращение F O, которое затем также влияет на конформацию F 1 , что приводит к переключению состояний альфа и бета-субъединицы. Область FO АТФ-синтазы представляет собой протонную пору, встроенную в митохондриальную мембрану. Он состоит из трех основных субъединиц: a, b и c. Шесть субъединиц c составляют кольцо ротора, а субъединица b составляет стержень, соединяющийся с F 1 OSCP, который предотвращает вращение гексамера αβ. Субъединица a соединяет b с кольцом c. У людей есть шесть дополнительных субъединиц: d , e , f , g , F6 и 8 (или A6L). Эта часть фермента расположена на внутренней мембране митохондрий и связывает транслокацию протонов с вращением, которое вызывает синтез АТФ в области F 1 .

У эукариот митохондриальный FO образует изгибающие мембраны димеры. Эти димеры самоорганизуются в длинные ряды на концах крист , возможно, это первая стадия образования крист. Атомная модель для димерных дрожжей F O области была определена крио-ЭМ при общем разрешение 3,6 Å.

F O -Основные субъединицы
Субъединица Человеческий ген
а МТ-АТФ6 , МТ-АТФ8
б ATP5F1
c ATP5G1 , ATP5G2 , ATP5G3

Модель привязки

Механизм АТФ-синтазы. Показанные АДФ и P i (розовый) объединены в АТФ (красный), в то время как вращающаяся субъединица γ (гамма), выделенная черным цветом, вызывает конформационные изменения.
Изображение АТФ-синтазы с использованием хемиосмотического протонного градиента для усиления синтеза АТФ посредством окислительного фосфорилирования .

В 1960–1970-х годах Пол Бойер , профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе , разработал теорию механизма изменения связывания, или триггера, которая постулировала, что синтез АТФ зависит от конформационного изменения АТФ-синтазы, генерируемого вращением гамма-субъединицы. Исследовательская группа Джона Э. Уокера , работавшего тогда в лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже , кристаллизовала каталитический домен F 1 АТФ-синтазы. Эта структура, в то время являвшаяся самой крупной из известных асимметричных белковых структур, показывала, что модель роторного катализа Бойера, по сути, верна. За разъяснение этого Бойер и Уокер разделили половину Нобелевской премии по химии 1997 года .

Кристаллическая структура F 1 показывает чередующиеся альфа- и бета- субъединицы (по 3 каждой), расположенные как сегменты апельсина вокруг вращающейся асимметричной гамма-субъединицы. Согласно современной модели синтеза АТФ (известной как чередующаяся каталитическая модель), трансмембранный потенциал, создаваемый протонными катионами (H +), поставляемыми цепью переноса электронов, перемещает катионы протонов (H +) из межмембранного пространства через мембрану через мембрану. F O область АТФ-синтазы. Часть F O (кольцо с-субъединиц ) вращается, когда протоны проходят через мембрану. С-кольцо плотно прикреплено к асимметричной центральной ножке (состоящей в основном из гаммы - субъединицы), заставляя его вращаться внутри альфа - 3 беты 3 из F 1 вызывает 3 каталитического нуклеотид сайтов связывания , чтобы пройти через ряд конформационных изменений , которые приводят к синтезу АТФ. Основные F 1 субъединицы предохранены от вращения в полном согласии с центральной ножкой ротором периферийного стеблом , который присоединяется к альфа - 3 беты 3 к невращающейся части F O . Структура интактной АТФ-синтазы в настоящее время известна с низким разрешением из исследований комплекса с помощью электронной криомикроскопии (крио-ЭМ). Крио-ЭМ модель АТФ - синтазы показывает , что периферийная Стебель представляет собой гибкую структуру , которая оборачивается вокруг комплекса , как он присоединяется к F 1 до F O . При правильных условиях ферментативная реакция также может протекать в обратном направлении, когда гидролиз АТФ запускает перекачку протонов через мембрану.

Механизм изменения связывания включает в себя циклическое переключение активного сайта субъединицы β между тремя состояниями. В «рыхлом» состоянии АДФ и фосфат попадают в активный центр; на соседней диаграмме это показано розовым цветом. Затем фермент претерпевает изменение формы и объединяет эти молекулы, при этом активный центр в результирующем «плотном» состоянии (показано красным) связывает вновь образованную молекулу АТФ с очень высоким сродством . Наконец, активный сайт возвращается в открытое состояние (оранжевый), высвобождая АТФ и связывая больше АДФ и фосфата, и готов к следующему циклу производства АТФ.

Физиологическая роль

Как и другие ферменты, активность F 1 F O АТФ-синтазы обратима. Достаточно большие количества АТФ заставляют его создавать трансмембранный протонный градиент , который используется для ферментации бактерий, у которых нет цепи переноса электронов, а, скорее, гидролизуют АТФ для создания протонного градиента, который они используют для управления жгутиками и транспорта питательные вещества в клетку.

При дыхании бактерий в физиологических условиях АТФ-синтаза, как правило, работает в противоположном направлении, создавая АТФ, используя протонную движущую силу, создаваемую цепью переноса электронов в качестве источника энергии. Общий процесс создания энергии таким образом называется окислительным фосфорилированием . Тот же процесс происходит в митохондриях , где АТФ-синтаза расположена во внутренней митохондриальной мембране, а F 1 -часть проецируется в митохондриальный матрикс . Потребление АТФ с помощью АТФ-синтазы закачивает катионы протонов в матрицу.

Эволюция

Эволюция АТФ - синтазы , как полагают, был модульным , при которой два функционально независимых подразделения стали ассоциироваться и приобрел новые функциональные возможности . Эта ассоциация, по-видимому, возникла на раннем этапе эволюционной истории, потому что по существу одинаковая структура и активность ферментов АТФ-синтазы присутствуют во всех царствах жизни. Синтаза F-АТФ демонстрирует высокое функциональное и механистическое сходство с V-АТФазой . Однако, в то время как F-АТФ-синтаза генерирует АТФ, используя протонный градиент, V-АТФаза генерирует протонный градиент за счет АТФ, генерируя значения pH всего до 1.

Область F 1 также демонстрирует значительное сходство с гексамерными ДНК-геликазами (особенно с фактором Rho ), а вся область фермента показывает некоторое сходство с H+
Приведен T3SS или жгутик моторных комплексов. Гексамер α 3 β 3 области F 1 показывает значительное структурное сходство с гексамерными ДНК-геликазами; оба образуют кольцо с 3-кратной вращательной симметрией с центральной порой. У обоих есть роли, зависящие от относительного вращения макромолекулы в поре; ДНК-геликазы используют спиралевидную форму ДНК, чтобы управлять своим движением вдоль молекулы ДНК и обнаруживать сверхспирали, тогда как α 3 β 3 гексамер использует конформационные изменения через вращение субъединицы γ для запуска ферментативной реакции.

H+
двигатель частицы F O демонстрирует большое функциональное сходство с двигателем H+
двигатели, приводящие в движение жгутики. Оба имеют кольцо из множества маленьких альфа-спиральных белков, которые вращаются относительно соседних стационарных белков, используя H+
градиент потенциала как источник энергии. Однако эта связь незначительна, поскольку общая структура жгутиковых моторов намного сложнее, чем у частицы F O, а кольцо с примерно 30 вращающимися белками намного больше, чем спиральные белки из 10, 11 или 14 в F O. сложный. Однако более поздние структурные данные показывают, что кольцо и стебель структурно подобны частице F 1 .

Конформационные изменения АТФ-синтазы в процессе синтеза

Теория модульной эволюции происхождения АТФ-синтазы предполагает, что две субъединицы с независимой функцией, ДНК-геликаза с АТФазной активностью и H+
motor, были способны связываться, и вращение мотора приводило в действие АТФазную активность геликазы в обратном направлении. Затем этот комплекс приобрел большую эффективность и в конечном итоге превратился в современные сложные АТФ-синтазы. В качестве альтернативы ДНК-геликаза / H+
двигательный комплекс, возможно, имел H+
насосная активность с АТФазной активностью геликазы, управляющей H+
мотор в обратном направлении. Это могло развиться, чтобы осуществить обратную реакцию и действовать как АТФ-синтаза.

Ингибиторы

Было обнаружено множество природных и синтетических ингибиторов АТФ-синтазы. Их использовали для исследования структуры и механизма АТФ-синтазы. Некоторые могут иметь терапевтическое применение. Существует несколько классов ингибиторов АТФ-синтазы, включая пептидные ингибиторы, полифенольные фитохимические вещества, поликетиды, оловоорганические соединения, полиеновые производные α-пирона, катионные ингибиторы, аналоги субстратов, модификаторы аминокислот и другие различные химические вещества. Некоторые из наиболее часто используемых ингибиторов АТФ-синтазы - олигомицин и DCCD .

У разных организмов

Бактерии

АТФ-синтаза E. coli - простейшая из известных форм АТФ-синтазы с 8 различными типами субъединиц.

Бактериальные F-АТФазы могут иногда действовать в обратном направлении, превращая их в АТФазу. Некоторые бактерии не имеют F-АТФазы, используя АТФазу A / V-типа двунаправленно.

Дрожжи

АТФ-синтаза дрожжей - одна из наиболее изученных эукариотических АТФ-синтаз; и были идентифицированы пять субъединиц F 1 , восемь субъединиц F O и семь ассоциированных белков. Большинство этих белков имеют гомологи у других эукариот.

Растение

У растений АТФ-синтаза также присутствует в хлоропластах (CF 1 F O -ATP-синтаза). Фермент интегрирован в тилакоидную мембрану; часть CF 1 прилипает к строме , где происходят темные реакции фотосинтеза (также называемые независимыми от света реакциями или циклом Кальвина ) и синтеза АТФ. Общая структура и каталитический механизм АТФ-синтазы хлоропластов почти такие же, как и у бактериального фермента. Однако в хлоропластах движущая сила протонов создается не дыхательной цепью переноса электронов, а первичными фотосинтетическими белками. Синтаза имеет вставку из 40 аминокислотных остатков в гамма-субъединицу для подавления расточительной активности в темноте.

Млекопитающее

АТФ-синтаза, выделенная из митохондрий сердца крупного рогатого скота ( Bos taurus ), с точки зрения биохимии и структуры является наиболее охарактеризованной АТФ-синтазой. Говяжье сердце используется в качестве источника фермента из-за высокой концентрации митохондрий в сердечной мышце. Их гены имеют близкую гомологию с АТФ-синтазами человека.

Гены человека, кодирующие компоненты АТФ-синтаз:

Другие эукариоты

Эукариоты, принадлежащие к некоторым дивергентным линиям, имеют особую организацию АТФ-синтазы. Эвгленозои АТФ - синтазы образуют димер с бумеранг-образной формой F 1 головкой , как и другими митохондриальной АТФ - синтазы, а Р О подкомплексе имеет много уникальных субъединиц. Он использует кардиолипин . Ингибирующий IF- 1 также связывается по-разному, как и трипаносоматида .

Архей

Обычно у архей нет F-АТФазы. Вместо этого они синтезируют АТФ с помощью А-АТФазы / синтазы, вращающейся машины, структурно подобной V-АТФазе, но в основном функционирующей как АТФ-синтаза. Считается, что, как и бактериальная F-АТФаза, она также действует как АТФаза.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки