АТФ-синтаза

АТФ-синтаза
Молекуларен модел на АТФ-синтазата одреден со рендгенска кристалографија. Статорот не е прикажан.
Назнаки
EC-број	март 14.html 3.6 март 14
CAS-број	9000-83-3
Бази на податоци
IntEnz	март 14 IntEnz view
BRENDA	март 14 BRENDA entry
ExPASy	март 14 NiceZyme view
KEGG	март 14 KEGG entry
MetaCyc	март 14 metabolic pathway
PRIAM	март 14 profile
PDB структури	март 14 RCSB PDB март 14%27 PDBj март 14 PDBe март 14 PDBsum
Генетска онтологија	AmiGO / EGO
Пребарување PMC март 14%5BEC/RN%20Number%5D%20AND%20pubmed%20pmc%20local%5Bsb%5D articles PubMed март 14%5BEC/RN%20Number%5D articles NCBI март 14%5BEC/RN%20Number%5D proteins

АТФ-синтаза — ензим кој ја катализира синтезата на аденозин трифосфат (АТР) од аденозин дифосфат (АДФ) и неоргански фосфат (P_i). Целокупната реакција може да се претстави со следната хемиска равенка:

• ADP + P_i + H⁺_надвор ⇌ АТР + H₂O + H⁺_внатре

Создавањето на АТР од ADP и P_i е енергетски неповолна реакција, па затоа под нормални услови реакцијата тече во насока кон реактантите. АТР синтазата овозможува да реакцијата тече во насока кон производот АТР на тој начин што реакцијата ја спарува со електрохемиски градиент, кого го создава разликата во концентрацијата на хидрониумовите јони (H⁺) низ митохондријалната мембрана кај еукариотите или плазматската мембрана кај бактериите и археите. За време на фотосинтезата кај растенијата, АТР се синтетизира од АТР синтазата со помош на H⁺ градиентот, кој се создава во тилакоидниот лумен преку тилакоидната мембрана и во стромата на хлоропластот.

АТФ-синтазата се состои од две главни подединици, F_О и F₁, која има механизам на вртечки мотор, одговорен за синтезата на АТР.^[1][2] Поради присуството на овие вртечки подединици АТР синтазата е молекуларна машина.

F₁ подединицата го добила своето име од терминот „Fraction 1“, а F_O подединицата (знакот означува буква „o“, а не „нула“) од нејзиното својство да врзува олигомицин, кој е природен антибиотик со способнсот да ја инхибира функцијата на F_O подединицата.^[3][4] Овие функционални региони се состојат од различни белковински подединици — види табели. 

АТР синтазата се состои од два региона: F_O и F₁. F_O подединицата предизвикува ротација на F₁ подединицата, а се состои од c-прстен и подединици a, b, d и F6. F₁ е изграден од подединиците ${\displaystyle \alpha ,\beta ,\gamma ,\delta }$. F₁, исто така, во својот состав има регион кој е растворлив во вода и може да хидролизира АТР. F_O, од друга страна, се состои главно од хидрофобни региони. F_OF₁ создаваат пат за проток на хидрониумови јони (протони) низ мембраната.^[5]${\displaystyle }$

F1 регионот од АТР синтазата е хидрофилен дел од ензимот, кој е одговорен за хидролиза на АТР. Тој е хексамер, изграден од шест ${\displaystyle \alpha }$ и ${\displaystyle \beta }$ подединици, со шест врзувачки места. Три од шестте врзувачки места се каталитички неактивни и тие врзуваат ADP.${\displaystyle }$${\displaystyle }$Другите три подединици ја катализираат синтезата на АТР. F₁ подединиците ${\displaystyle \gamma ,\delta ,\epsilon }$ се дел од механизамот на вртежниот мотор. Подединицата ${\displaystyle \gamma }$и овозможува на подединицата ${\displaystyle \beta }$ да претрпува конформациони промени (затворена, полуотворена и отворена конформација), кои доведуваат до врзување, синтеза и ослободување на АТР. F1 делот од ензимот е релативно голем и може да се види со трансмисионен електронски микроскоп со негативно боење.^[6] Се набљудува како честички со пречник од 9 nm, кои се наоѓаат од внатрешната страна на митохондриската мембрана.${\displaystyle }$${\displaystyle }$${\displaystyle }$

F_O е хидрофобна белковина, изградена од осум подединици и трансмембрански прстен. Прстенот има форма на тетрамер, а содржи белковина со структура завојница-петелка-завојница, кој претрпува конформациони промени кога се протонира и депротонира, што ги турка соседните подединици и прави да ротираат. Вртежното движење се пренесува и на целиот F_O, што пак влијае на промената на конформациите на алфа и бета подединиците на F₁. Значи, F_O регионот на АТФ-синтазата е протонска пора која е вградена во митохондриската мембрана. Регионот се состои од три главни подединици, a, b и c, и (кај човекот) шест дополнителни подединици, d, e, f, g, F6, и 8 (или A6L). Атомскиот модел за димерниот F_O кај квасецот беше утврден со помош на крио-ЕМ на резолуција од 3.6 Å.^[7]

Во 1960-тите и 1970-тите години, Пол Бојер, професор на Калифорнискиот универзитет, Лос Анџелес (UCLA), развил теорија за механизмот на дејство на АТФ-синтазата, според која синтезата на АТР зависи од конформационите промени во ензимот, генерирани од ротацијата на гама-подединицата. Истражувачката група на Џон Е. Вокер го кристализирала F₁ каталитичкиот домен на АТФ-синтаза, во лабораторијата за молекуларна биологија во Кембриџ. Структурата, која во тоа време била најголемата позната асиметрична структура на белковина, го потврдила моделот на вртежна катализа на Пол Бојер. За ова откритие, Бојер и Вокер поделија половина од Нобеловата награда за хемија во 1997 година.

Кристалната структура на F₁ се состои од наизменични алфа и бета подединици (три алфа и три бета), наредени како сегментите на портокал околу вртечка асиметрична гама подединица. Според сегашниот модел за синтеза на ATP (познат како наизменичниот модел на катализа), трансмембранскиот потенцијал создаден од H⁺ катјоните (протони) го поттикнува нивното движење од едната кон другата страна на мембраната, кое може да се одвива само преку F_О регионот на АТФ-синтазата. Дел од F_O (прстенот од c-подединици) ротира кога протоните минуваат низ мембраната. Прстенот е цврсто прикачен за асиметричната централна оска (изградена главно од гама подединицата), што предизвикува и нејзино ротирање во рамките на алфа₃бета₃ сегментот од F₁ каде се одвиваат серија на конформациони промени чиј конечен резултат е синтезата на АТР. Главните подединици на F₁ се спречени да ротираат заедно со централната оска, бидејќи за нив се врзува периферна оска која ги спојува со невртечкиот дел на F_O. Структурата на интактната АТФ-синтаза моментално е позната при ниска резолуција од испитувања со користење на електронска крио-микроскопија (крио-ЕМ). Крио-ЕМ моделот на АТФ-синтазата сугерира дека периферната оска е флексибилна структура која го обвива комплексот. Под соодветни услови, ензимската реакција може да тече и во обратна насока, така што хидролизата на ATP предизвикува пумпање на протони низ мембраната.

Механизамот на промени во врзувањето го вклучува наизменичното менување на конформацијата на врзувачкото место на β подединицата помеѓу три можни состојби.^[8] Во „лабавата“ состојба, ADP и фосфатот влегуваат во активното место; прикажано со розова боја на дијаграмот. Ензимот потоа подлегнува на промена во формата, што ги турка ADP и фосфатот поблиску еден до друг, па активното место преминува во т.н. „тесна“ состојба (прикажана со црвена боја) во која ново-синтетизираниот АТР е врзан со многу висок афинитет. Конечно, активното место се враќа назад во отворена состојба (прикажана со портокалова боја), ослободувајќи го АТР и врзувајќи нов ADP и фосфат.^[9]

Како и кај многу други ензими, активноста на F₁F_О АТР синтазата е реверзибилна. Големи количини на АТР во клетката предизвикуваат да таа почне да го катализира создавањето на трансмембрански протонски градиент. Овој процес го користат ферментационите бактерии кои не поседуваат ланец за транспорт на електрони, туку го хидролизираат АТР да создадат протонски градиент, кој потоа го користат за движење на камшичињата или транспорт на хранливи материи во клетката.

Кај респирирачките бактерии, под физиолошки услови, АТФ-синтазата, во принцип, функционира во спротивна насока, создавајќи АТР со користење на електрохемискиот потенцијал на протоните создаден од ланецот за транспорт на електрони како извор на енергија. Целокупниот процес на создавање на енергија на овој начин се нарекува оксидативна фосфорилација. Истиот процес се случува во митохондриите, каде АТФ-синтазата се наоѓа во внатрешната митохондриска мембрана, а F₁ делот се наоѓа во митохондриската матрица. 

Еволуцијата на АТФ-синтазата се смета дека била модуларна, така што две функционално независни подединици станала поврзани и добиле нова функционалност.^[10][11] Ова здружување на двете подединици се претпоставува дека се случило рано во еволуцијата, бидејќи истата структура и активност на АТР синтазите се присутни во сите три домени на животот.^[10] F-АТФ-синтазата покажува голема сличност, во однос на структурата, механизмот на дејство и функцијата, со V-ATPазата.^[12] Сепак, додека F-АТР синтазата синтетизира АТР со искористување на протонскиот градиент, V-ATPaзата создава протонски градиент на сметка на хидролизата на АТР, при што може да генерира многу ниски pH вредности (дури до 1).^[13]

F₁ регионот, исто така, покажува значителна сличност со хексамерните ДНК хеликази, а F_О регион покажува сличности со H⁺-активираните флагеларни моторни комплекси. Хексамерот α₃β₃ на F₁ регионот покажува значајна структурна сличност со хексамерните ДНК хеликази, бидејќи и двете формираат прстен со тројна вртежна симетрија со централна пора. И кај двете функцијата е зависна од релативната ротација на макромолекула во рамките на пората; ДНК хеликазите го користат спиралниот облик на ДНК молекулата за покренување на нивното движење по должина на ДНК, додека α₃β₃ хексамерот ги користи конформационите промени настанати со ротација на гама подединицата за да покрене ензиматска реакција.^[14]

H⁺ моторот на F_О честичката покажува голема функционална сличност со H⁺ моторите кои го покренуваат движењето на бактериското камшиче. И двете имаат прстен изграден од многу мали алфа-хеликални белковини кои ротираат во однос на околните стационарни белковини со употреба на H⁺ потенцијал како извор на енергија. Врската помеѓу овие две молекуларни машини е сѐ уште нејасна, бидејќи целосната структура на флагеларните мотори е далеку покомплексна од структурата на F_О честичките.

Модуларната еволуциона теорија за потеклото на АТФ-синтазата предложува дека двете подединици со независна функција, ДНК хеликаза со ATPазна активност и H⁺ мотор, се поврзале една со друга, па така ротацијата на моторот ја покренувала ATPазната активност на хеликазата во обратна насока. Овој комплекс потоа еволуирал во насока на развивање на поголема ефикасност, што на крајот резултирало со денешната сложена АТФ-синтаза. Алтернативно, ДНК хеликаза/H⁺ мотор комплексот можеби имал функција на H⁺ пумпа, со ATPазна активност на хеликазата за покренување на H⁺ моторот во обратна насока. Овој комплекс можеби потоа еволуирал за да добие способност да ја врши обратната реакција, односно синтезата на АТП.^[15][16]

• V-ATPaза
• P-ATPаза
• Аденозинтрифосфатаза
• Оксидативна фосфорилација
• Ланец за транспорт на електрони
• Митохондрија
• Хлоропласт

• Nick Lane: The Vital Question: Energy, Evolution, and the Origins of Complex Life Ww Norton, 2015 јули 20, ISBN 978-0393088816

• Борис A. Фенјук: АТФ-синтаза — прекрасна молекуларна машина (на англиски и германски)
• Добро илустрирани предавања за АТФ-синтаза Архивирано на 2 декември 2008 г. од страна на Ентони Крофтс на Универзитетот на Илиноис во Урбана–Шампањ (англиски)
• Нобелова награда за хемија 1997 година Архивирано на 11 декември 2008 г. доделена на Пол Бојер и Џон Д. Вокер за откривање на ензимскиот механизам за синтеза на ATP; и на Јенс Ску, за откривање на ензимот Na⁺, K⁺-ATPаза. (англиски)
• Дејвид Гудсел: "АТФ-синтаза - Молекула на месецот" Архивирано на 5 септември 2015 г. (англиски)