| ATP syntáza | |
|---|---|
| Identifikátory | |
| Kód KF | 7.1.2.2 |
| Číslo CAS | 9000-83-3 |
| Enzymové databáze | |
| IntEnz | pohled IntEnz |
| BRENDA | Vstup BRENDA |
| ExPASy | NiceZyme pohled |
| MetaCyc | metabolická dráha |
| KEGG | Vstup do KEGG |
| PRIAM | profil |
| Struktury PNR | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsoučet |
| Genová ontologie | AmiGO • EGO |
| Vyhledávání | |
| PMC | články |
| PubMed | články |
| NCBI | NCBI proteiny |
| CAS | 9000-83-3 |
| Mediální soubory na Wikimedia Commons | |
Adenosintrifosfátsyntáza ( ATP syntáza , ATP fosfohydroláza, H + -transportující dvousektorová ATPáza) je skupina enzymů patřících do třídy translokáz a syntetizujících adenosintrifosfát (ATP) z adenosindifosfátu (ADP) a anorganického fosfátu . Název nomenklatury je ATP-fosfohydroláza, nicméně od srpna 2018 byl enzym převeden ze třetí (3.6.3.14) do sedmé třídy (7.1.2.2 [1] ), protože reakce katalyzovaná enzymem probíhá v cesta opačná k hydrolýze a nemůže být popsána pomocí jiných typů reakcí, které charakterizují jiné třídy enzymů.
V klasifikaci enzymů je translokační reakce prováděná ATP syntázou popsána následující rovnicí:
ATP + H2O + 4 H + [strana 1] \u003d ADP + F + 4 H + [strana 2]Energie pro syntézu ATP syntázy často pochází z protonů , které cestují po elektrochemickém gradientu , například z lumen thylakoidu do stromatu chloroplastu nebo z mezimembránového prostoru (lumen crista ) do mitochondriální matrice . Syntetická reakce je:
ADP + Fn → ATP + H20ATP syntázy jsou velmi důležité pro život téměř všech organismů, neboť ATP patří mezi tzv. makroergické sloučeniny, při jejichž hydrolýze se uvolňuje značné množství energie.
Antibiotikum oligomycin inhibuje aktivitu FO složky mitochondriální ATP syntázy.
ATP syntáza F 1 F O přítomná v mitochondriích byla velmi dobře studována.
Komplex ATP-syntázy F O F 1 má tvar plodnice houby, ve které je komponenta F 1 klobouk, noha je γ-podjednotka komponenty F 1 a „kořeny“ houby. jsou složka FO ukotvena v membráně.
Strukturálně a funkčně se ATP syntáza skládá ze dvou velkých fragmentů, označených symboly F1 a FO . První z nich (konjugační faktor F 1 ) směřuje k mitochondriální matrici a nápadně vyčnívá z membrány ve formě kulovitého útvaru o výšce 8 nm a šířce 10 nm. Skládá se z devíti podjednotek reprezentovaných pěti typy proteinů. Polypeptidové řetězce tří α podjednotek a stejného počtu β podjednotek jsou zabaleny do proteinových globulí podobné struktury, které dohromady tvoří hexamer (αβ)3, který vypadá jako mírně zploštělá koule. Podobně jako hustě sbalené oranžové plátky tvoří postupně umístěné podjednotky α a β strukturu charakterizovanou trojitou osou symetrie s úhlem rotace 120°. Ve středu tohoto hexameru je podjednotka γ, která je tvořena dvěma prodlouženými polypeptidovými řetězci a připomíná mírně deformovanou zakřivenou tyčinku o délce asi 9 nm. V tomto případě spodní část γ podjednotky vyčnívá z koule o 3 nm směrem k membránovému komplexu F O. Také uvnitř hexameru je vedlejší podjednotka ε spojená s γ. Poslední (devátá) podjednotka je označena symbolem δ a nachází se na vnější straně F 1 .
Membránová část ATP syntázy, nazývaná konjugační faktor FO , je hydrofobní proteinový komplex, který proniká membránou a má uvnitř dva polokanály pro průchod vodíkových protonů ( protium nuclei ). Celkem FO komplex obsahuje jednu podjednotku proteinu typu a, dvě kopie podjednotky b a 9 až 12 kopií malé podjednotky c. Podjednotka a (molekulová hmotnost 20 kDa) je zcela ponořena do membrány, kde tvoří šest α-helikálních úseků, které ji protínají. Podjednotka b (molekulová hmotnost 30 kDa) obsahuje pouze jednu relativně krátkou α-helikální oblast ponořenou do membrány, zatímco její zbytek znatelně vyčnívá z membrány směrem k F1 a je připojen k podjednotce δ umístěné na jejím povrchu. Každá z 9-12 kopií c podjednotky (molekulová hmotnost 6-11 kDa) je relativně malý protein dvou hydrofobních α-helixů spojených navzájem krátkou hydrofilní smyčkou orientovanou směrem k F 1 a všechny dohromady tvoří jeden celek má tvar válce ponořeného do membrány. Podjednotka γ vyčnívající z komplexu F 1 směrem k F O je přesně ponořena uvnitř tohoto válce a je k němu poměrně silně zaháknutá.
Nomenklatura enzymu je tradičního původu, a proto je značně nejednotná.
Označení složky F1 je zkratkou pro "Frakce 1" (část 1) a symbol FO (písmeno O je napsáno v indexu, nikoli nula) označuje vazebné místo oligomycinu.
Některé podjednotky enzymu mají také písmenná označení:
Jiné jsou složitější zápisy:
Složka F 1 je dostatečně velká (její průměr je 9 nm), aby byla viditelná v transmisním elektronovém mikroskopu s negativním barvením [2] .
Částice F 1 jsou posety vnitřní mitochondriální membránou. Původně se předpokládalo, že obsahují celý dýchací aparát mitochondrií. Po dlouhých experimentech však skupina Ephraima Rekera (který poprvé izoloval složku F 1 v roce 1961) ukázala, že tyto částice jsou spojeny s aktivitou ATPázy, a to i v separovaných mitochondriích a submisivních částicích vytvořených během působení ultrazvuku na mitochondrie. Mnoho dalších studií v různých laboratořích potvrdilo tuto aktivitu ATPázy.
V 60-70 letech 20. století Paul Boyer navrhl, že syntéza ATP je spojena se změnami v konfiguraci ATP syntázy způsobenými rotací γ-podjednotky, takzvaným mechanismem změny vazebného místa (“ flip-flop ”) . ) . Výzkumnému týmu vedeném Johnem E. Walkerem, tehdy v Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, se podařilo izolovat katalytický komplex ATP-syntázy F 1 v krystalické formě. V té době to byla největší asymetrická proteinová struktura známá vědě. Její výzkum ukázal, že Boyerův model rotující katalýzy je správný. Za tento objev dostali Boyer a Walker v roce 1997 polovinu Nobelovy ceny za chemii. Druhá polovina byla udělena Jensi Christianu Skowovi "za první objev enzymu, který transportuje ionty - Na + , K + -adenosin trifosfatázu."
Krystal F1 se skládá ze střídajících se α- a β-podjednotek ( 3 od každého typu) uspořádaných jako oranžové plátky kolem asymetrické y-podjednotky. Podle uznávaného modelu syntézy ATP (také nazývaného model nestálé katalýzy) gradient elektrického pole nasměrovaný přes vnitřní mitochondriální membránu a díky řetězci transportu elektronů způsobí, že protony projdou membránou přes složku ATP syntázy FO . Část složky FO ( kruh c-podjednotek ) rotuje, když protony procházejí membránou. Tento c -kroužek je pevně spojen s asymetrickým centrálním ramenem (sestávajícím hlavně z y - podjednotky), které se zase otáčí v oblasti a3p3 složky F1 . To způsobí, že tři místa katalýzy, která se vážou na nukleotidy, podstoupí změny v konfiguraci vedoucí k syntéze ATP.
Hlavní podjednotky (α 3 β 3 ) složky F 1 jsou spojeny přídavným bočním ramenem s pevným místem FO , které jim brání v rotaci společně s γ-podjednotkou. Struktura intaktní ATP syntázy byla odhalena s nízkou přesností pomocí elektronové kryomikroskopie (ECM). Je ukázáno, že boční noha je ohebná propojka, podobná laně, navinutá kolem komplexu během jeho provozu.
S každým obratem γ-podjednotky jsou syntetizovány tři molekuly ATP o 360 0. Současně zjevně v různých organismech přechází z mezimembránového prostoru do matrice 10 až 14 protonů - podle počtu c- podjednotky [3] .
Za určitých podmínek může katalytická reakce probíhat i opačným směrem, přičemž hydrolýza ATP způsobí čerpání protonů přes membránu.
Mechanismus změny vazebného místa zahrnuje aktivní místo β-podjednotky, které postupně prochází třemi stavy [4] .
V „otevřeném“ stavu se ADP a fosfát přibližují k aktivnímu místu. Protein pak tyto molekuly obejme a volně se na ně naváže ("volný" stav). Další změna tvaru proteinu stlačí molekuly k sobě ("těsný" stav), což vede k tvorbě ATP. Nakonec aktivní místo opět přejde do „otevřeného“ stavu, uvolní ATP a naváže další molekulu ADP a fosfátu, načež se cyklus produkce ATP opakuje.
Stejně jako mnoho jiných enzymů je působení ATP syntázy F 1 F O reverzibilní. Velké koncentrace ATP způsobují, že ATP rozkládá a vytváří transmembránový protonový gradient. Toto použití ATP syntázy bylo zaznamenáno u anaerobních bakterií postrádajících elektronový transportní řetězec. Tyto bakterie využívají hydrolýzu ATP k vytvoření protonového gradientu, který se podílí na pohybu bičíků a buněčné výživě.
V aerobních bakteriích má za normálních podmínek ATP syntáza tendenci pracovat obráceně, produkovat ATP z energie elektrochemického potenciálu vytvořeného elektronovým transportním řetězcem. Obecně se tento proces nazývá oxidativní fosforylace . Probíhá také v eukaryotických mitochondriích , na jejichž vnitřní membráně jsou umístěny molekuly ATP syntázy a složka F 1 je v matrici , kde probíhá proces syntézy ATP z ADP a fosfátu.
Účinnost ATP syntázy se blíží 100 % [5] .
V rostlinách je CF 1 FO ATP syntáza přítomna v chloroplastech . Je uložen v thylakoidní membráně a složka CF 1 vyčnívá do stromatu , kde dochází k temným reakcím fotosyntézy (také nazývané reakce Calvinova cyklu nezávislé na světle ). Struktura a mechanismus katalýzy ATP syntázy v chloroplastech je téměř stejný jako v mitochondriích. Elektrochemický potenciál v chloroplastech však není tvořen respiračním elektronovým transportním řetězcem, ale jinými komplexy – fotosystémem II a cytochromovým komplexem b6 /f .
E. coli ATP syntáza je nejjednodušší ze všech známých ATP syntáz. Skládá se pouze z 8 typů podjednotek.
Naproti tomu kvasinková ATP syntáza je nejsložitější známá. Skládá se z 20 různých typů podjednotek.
Evoluce ATP syntázy je považována za příklad modulární evoluce, ve které se dvě podjednotky, každá se svými vlastními funkcemi, spojily a získaly nové funkce.
Hexamer α 3 β 3 , který je součástí složky F 1 , vykazuje významnou podobnost s hexamerní helikázou DNA . Oba typy enzymů tvoří kruh s rotační symetrií 3. řádu, který má centrální pór. Působení každého z nich závisí také na relativní rotaci makromolekuly v póru: helikázy využívají šroubovitý tvar DNA k pohybu po ní a k detekci supercoilingu, zatímco α 3 β 3 hexamer využívá změny své konfigurace způsobené rotace y-podjednotky za účelem provedení katalytické reakce.
Protonový motor FO komponenty vykazuje velkou funkční podobnost s protonovými motory bičíků. V obou je kruh mnoha malých proteinů bohatých na a-helix, které rotují vzhledem k sousedním imobilním proteinům díky energii protonového gradientu. To je samozřejmě velmi vratká podobnost, protože struktura bičíkových motorů je mnohem složitější než FO a rotující proteinový prstenec je mnohem větší a skládá se z 30 podjednotek oproti 10, 11 nebo 14, které tvoří složku FO .
Teorie molekulární evoluce naznačuje, že dvě podjednotky s nezávislými funkcemi, DNA helikáza s dodatečným působením ATPázy a protonový motor, se dokázaly spojit a rotace motoru způsobila projev ATPázové aktivity helikázy. Nebo naopak v primárním vazu helikázy DNA a protonovém motoru hydrolýza ATP na helikáze přiměla protonový motor pracovat. Tato sloučenina byla poté postupně optimalizována, získala schopnost katalyzovat reverzní reakci a postupem času se vyvinula v komplexní ATP syntázu, která existuje dnes. Mechanismus vzniku protonového motoru je však stále nejasný, což je bez helikázy nebo jiných komplexů k ničemu.