ATP sintasa

ATP sintasa es una proteína que cataliza la formación de la molécula de almacenamiento de energía trifosfato de adenosina (ATP) utilizando difosfato de adenosina (ADP) y fosfato inorgánico (P_i). La ATP sintasa es una máquina molecular. La reacción global catalizada por la ATP sintasa es:

• ADP + P_i + 2H⁺_Fuera. ⇌ ATP + H₂O + 2H⁺_dentro

La ATP sintasa se encuentra a través de una membrana celular y forma una abertura por la que los protones pueden cruzar desde áreas de alta concentración a áreas de baja concentración, impartiendo energía para la síntesis de ATP. Este gradiente electroquímico es generado por la cadena de transporte de electrones y permite que las células almacenen energía en ATP para su uso posterior. En las células procariotas, la ATP sintasa se encuentra a través de la membrana plasmática, mientras que en las células eucariotas se encuentra a través de la membrana mitocondrial interna. Los organismos capaces de realizar la fotosíntesis también tienen ATP sintasa a través de la membrana tilacoide, que en las plantas se encuentra en el cloroplasto y en las cianobacterias se encuentra en el citoplasma.

Las ATP sintasas eucariotas son F-ATPasas, que se ejecutan "a la inversa" para una ATPasa. Este artículo trata principalmente de este tipo. Una F-ATPasa consta de dos subunidades principales, F_O y F₁, que tiene un mecanismo de motor rotacional que permite la producción de ATP.

Nomenclatura

La fracción F₁ deriva su nombre del término "Fracción 1" y F_O (escrito como una letra de subíndice "o", no "cero") deriva su nombre de ser la fracción de unión para la oligomicina, un tipo de antibiótico derivado que es capaz de inhibir la unidad F_O de la ATP sintasa. Estas regiones funcionales constan de diferentes subunidades de proteínas; consulte las tablas. Esta enzima se utiliza en la síntesis de ATP a través de la respiración aeróbica.

Estructura y función

Bovine mitocondrial ATP synthase. El F_O, F₁, regiones de eje y estator son magenta de color, verde, naranja y cian respectivamente.

Modelo simplificado de F_OF₁-ATPase alias ATP synthase of E. coli. Las subunidades de la enzima se etiquetan en consecuencia.

Motor de rotación de la sintasa ATP.

Ubicada dentro de la membrana tilacoide y la membrana mitocondrial interna, la ATP sintasa consta de dos regiones F_O y F₁. F_O provoca la rotación de F₁ y está formado por el anillo c y las subunidades a, dos b, F6. F₁ está formado por subunidades α, β, γ y δ. F₁ tiene una parte soluble en agua que puede hidrolizar ATP. F_O por otro lado tiene principalmente regiones hidrofóbicas. F_O F₁ crea una vía para el movimiento de protones a través de la membrana.

Región F1

La porción F₁ de la ATP sintasa es hidrófila y responsable de hidrolizar el ATP. La unidad F₁ sobresale en el espacio de la matriz mitocondrial. Las subunidades α y β forman un hexámero con 6 sitios de unión. Tres de ellos son catalíticamente inactivos y se unen al ADP.

Otras tres subunidades catalizan la síntesis de ATP. Las otras subunidades γ, δ y ε de F₁ son parte de un mecanismo de motor rotativo (rotor/eje). La subunidad γ permite que β experimente cambios conformacionales (es decir, estados cerrado, semiabierto y abierto) que permiten que el ATP se una y libere una vez sintetizado. La partícula F₁ es grande y se puede ver en el microscopio electrónico de transmisión por tinción negativa. Estas son partículas de 9 nm de diámetro que salpican la membrana mitocondrial interna.

Región FO

F_O subunidad F6 de la región del tallo periférico de la sintesis ATP.

F_O es una proteína insoluble en agua con ocho subunidades y un anillo transmembrana. El anillo tiene forma de tetrámero con una proteína helicoidal de bucle helicoidal que experimenta cambios conformacionales cuando se protona y desprotona, empujando a las subunidades vecinas a rotar, provocando el giro de F_O que luego también afecta la conformación de F₁, lo que resulta en el cambio de estados de las subunidades alfa y beta. La región F_O de la ATP sintasa es un poro de protones que está incrustado en la membrana mitocondrial. Consta de tres subunidades principales, a, b y c. Seis subunidades c forman el anillo del rotor, y la subunidad b forma un tallo que se conecta a F₁ OSCP que evita que el hexámero αβ gire. La subunidad a conecta b con el anillo c. Los seres humanos tienen seis subunidades adicionales, d, e, f, g, F6 y 8 (o A6L). Esta parte de la enzima se encuentra en la membrana interna mitocondrial y acopla la translocación de protones a la rotación que provoca la síntesis de ATP en la región F₁.

En eucariotas, el F_O mitocondrial forma dímeros que doblan la membrana. Estos dímeros se autoorganizan en largas filas al final de las crestas, posiblemente el primer paso de la formación de crestas. Se determinó un modelo atómico para la región F_O de la levadura dimérica mediante crio-EM con una resolución general de 3,6 Å.

Modelo de enlace

Mecanismo de sintesis ATP. ADP and P_i (pink) se muestra combinado en ATP (rojo), mientras que la subunidad rotativa γ (gamma) en negro causa cambio conformacional.

Depiction of ATP synthase using the chemiosmotic proton gradient to power ATP synthase through oxidative phosphorylation.

En las décadas de 1960 y 1970, Paul Boyer, profesor de UCLA, desarrolló la teoría del mecanismo de cambio de unión, o flip-flop, que postulaba que la síntesis de ATP depende de un cambio conformacional en la ATP sintasa generada por la rotación de la gamma subunidad El grupo de investigación de John E. Walker, entonces en el Laboratorio de Biología Molecular MRC en Cambridge, cristalizó el dominio catalítico F₁ de la ATP sintasa. La estructura, en ese momento la estructura de proteína asimétrica más grande conocida, indicó que el modelo de catálisis rotatoria de Boyer era, en esencia, correcto. Por aclarar esto, Boyer y Walker compartieron la mitad del Premio Nobel de Química de 1997.

La estructura cristalina del F₁ mostraba subunidades alfa y beta alternas (3 de cada una), dispuestas como segmentos de una naranja alrededor de una subunidad gamma asimétrica giratoria. De acuerdo con el modelo actual de síntesis de ATP (conocido como modelo catalítico alterno), el potencial transmembrana creado por los cationes de protones (H+) suministrados por la cadena de transporte de electrones impulsa los cationes de protones (H+) desde el espacio intermembrana a través de la membrana a través de la Región F_O de la ATP sintasa. Una parte de la F_O (el anillo de las subunidades c) gira a medida que los protones pasan a través de la membrana. El anillo c está fuertemente unido al tallo central asimétrico (que consiste principalmente en la subunidad gamma), lo que hace que gire dentro del alfa₃beta₃ de F ₁ haciendo que los 3 sitios de unión de nucleótidos catalíticos pasen por una serie de cambios conformacionales que conducen a la síntesis de ATP. Las principales subunidades F₁ no pueden rotar en simpatía con el rotor del tallo central por un tallo periférico que une el alfa₃beta₃ con el parte no giratoria de F_O. La estructura de la ATP sintasa intacta se conoce actualmente a baja resolución a partir de estudios del complejo con criomicroscopía electrónica (crio-EM). El modelo crio-EM de la ATP sintasa sugiere que el tallo periférico es una estructura flexible que envuelve el complejo al unir F₁ con F_O. En las condiciones adecuadas, la reacción enzimática también se puede llevar a cabo a la inversa, con la hidrólisis de ATP impulsando el bombeo de protones a través de la membrana.

El mecanismo de cambio de unión implica el ciclo del sitio activo de una subunidad β entre tres estados. En el "suelto" Estado, ADP y fosfato entran en el sitio activo; en el diagrama adyacente, esto se muestra en rosa. Luego, la enzima sufre un cambio de forma y obliga a estas moléculas a unirse, con el sitio activo en el "apretado" resultante. estado (mostrado en rojo) que se une a la molécula de ATP recién producida con una afinidad muy alta. Finalmente, el sitio activo regresa al estado abierto (naranja), libera ATP y une más ADP y fosfato, listo para el siguiente ciclo de producción de ATP.

Papel fisiológico

Al igual que otras enzimas, la actividad de la F₁F_O ATP sintasa es reversible. Cantidades suficientemente grandes de ATP hacen que se cree un gradiente de protones transmembrana, esto es utilizado por bacterias fermentadoras que no tienen una cadena de transporte de electrones, sino que hidrolizan ATP para hacer un gradiente de protones, que utilizan para impulsar flagelos y el transporte de nutrientes a la célula.

En bacterias que respiran en condiciones fisiológicas, la ATP sintasa, en general, funciona en la dirección opuesta, creando ATP mientras usa la fuerza motriz de protones creada por la cadena de transporte de electrones como fuente de energía. El proceso general de creación de energía de esta manera se denomina fosforilación oxidativa. El mismo proceso tiene lugar en las mitocondrias, donde la ATP sintasa se encuentra en la membrana mitocondrial interna y la parte F₁ se proyecta hacia la matriz mitocondrial. Al bombear cationes de protones a la matriz, la ATP-sintasa convierte el ADP en ATP.

Evolución

Se cree que la evolución de la ATP sintasa fue modular, por lo que dos subunidades funcionalmente independientes se asociaron y obtuvieron una nueva funcionalidad. Esta asociación parece haber ocurrido temprano en la historia evolutiva, porque esencialmente la misma estructura y actividad de las enzimas ATP sintasa están presentes en todos los reinos de la vida. La F-ATP sintasa muestra una gran similitud funcional y mecánica con la V-ATPasa. Sin embargo, mientras que la F-ATP sintasa genera ATP utilizando un gradiente de protones, la V-ATPasa genera un gradiente de protones a expensas del ATP, generando valores de pH tan bajos como 1.

La región F₁ también muestra una similitud significativa con las ADN helicasas hexaméricas (especialmente el factor Rho), y toda la región enzimática muestra cierta similitud con H⁺
T3SS potenciado o complejos motores flagelares. El hexámero α₃β₃ de la región F₁ muestra una similitud estructural significativa con las ADN helicasas hexámeras; ambos forman un anillo con triple simetría rotacional con un poro central. Ambos tienen funciones que dependen de la rotación relativa de una macromolécula dentro del poro; las helicasas de ADN usan la forma helicoidal del ADN para impulsar su movimiento a lo largo de la molécula de ADN y detectar el superenrollamiento, mientras que el hexámero α₃β₃ usa los cambios conformacionales a través de la rotación de la subunidad γ para impulsar una reacción enzimática.

La H⁺
El motor de la partícula F_O muestra una gran similitud funcional con el H⁺
motores que impulsan flagelos. Ambos cuentan con un anillo de muchas pequeñas proteínas alfa-helicoidales que giran en relación con las proteínas estacionarias cercanas, usando un H⁺
gradiente potencial como un fuente de energía. Sin embargo, este vínculo es tenue, ya que la estructura general de los motores flagelares es mucho más compleja que la de la partícula F_O y el anillo con unas 30 proteínas giratorias es mucho más grande que las 10, 11 o 14 proteínas helicoidales en el complejo F_O. Sin embargo, datos estructurales más recientes muestran que el anillo y el tallo son estructuralmente similares a la partícula F₁.

La teoría de la evolución modular para el origen de la ATP sintasa sugiere que dos subunidades con función independiente, una ADN helicasa con actividad ATPasa y una H⁺
motor, pudieron unirse, y la rotación del motor impulsó la actividad ATPasa de la helicasa en reversa. Este complejo luego desarrolló una mayor eficiencia y eventualmente se convirtió en las complejas ATP sintasas de hoy. Alternativamente, la ADN helicasa/H⁺
el complejo motor puede haber tenido H⁺
actividad de bombeo con la actividad ATPasa de la helicasa que impulsa el H⁺
motor en reversa. Esto puede haber evolucionado para llevar a cabo la reacción inversa y actuar como una ATP sintasa.

Inhibidores

Se ha descubierto una variedad de inhibidores naturales y sintéticos de la ATP sintasa. Estos se han utilizado para sondear la estructura y el mecanismo de la ATP sintasa. Algunos pueden ser de uso terapéutico. Hay varias clases de inhibidores de la ATP sintasa, incluidos los inhibidores peptídicos, los fitoquímicos polifenólicos, los policétidos, los compuestos organoestánnicos, los derivados de la α-pirona poliénica, los inhibidores catiónicos, los análogos de sustrato, los modificadores de aminoácidos y otros productos químicos diversos. Algunos de los inhibidores de la ATP sintasa más utilizados son la oligomicina y el DCCD.

En diferentes organismos

Bacterias

E. coli La ATP sintasa es la forma más simple conocida de ATP sintasa, con 8 tipos de subunidades diferentes.

Las F-ATPasas bacterianas pueden operar ocasionalmente a la inversa, convirtiéndolas en una ATPasa. Algunas bacterias no tienen F-ATPasa y utilizan una ATPasa de tipo A/V de forma bidireccional.

Levadura

La ATP sintasa de levadura es una de las ATP sintasas eucariotas mejor estudiadas; y se han identificado cinco subunidades F₁, ocho F_O y siete proteínas asociadas. La mayoría de estas proteínas tienen homólogos en otros eucariotas.

Planta

En las plantas, la ATP sintasa también está presente en los cloroplastos (CF₁F_O-ATP sintasa). La enzima se integra en la membrana tilacoide; la parte CF₁ se adhiere al estroma, donde tienen lugar las reacciones oscuras de la fotosíntesis (también llamadas reacciones independientes de la luz o ciclo de Calvin) y la síntesis de ATP. La estructura general y el mecanismo catalítico de la ATP sintasa del cloroplasto son casi los mismos que los de la enzima bacteriana. Sin embargo, en los cloroplastos, la fuerza motriz del protón no es generada por la cadena de transporte de electrones de la respiración, sino por las proteínas fotosintéticas primarias. La sintasa tiene un inserto de 40 aa en la subunidad gamma para inhibir la actividad derrochadora cuando está oscuro.

Mamífero

La ATP sintasa aislada de mitocondrias cardíacas bovinas (Bos taurus) es, en términos de bioquímica y estructura, la mejor -ATP sintasa caracterizada. El corazón de res se usa como fuente de la enzima debido a la alta concentración de mitocondrias en el músculo cardíaco. Sus genes tienen una estrecha homología con las ATP sintasas humanas.

Genes humanos que codifican componentes de ATP sintasas:

• ATP5A1
• ATP5B
• ATP5C1, ATP5D, ATP5E, ATP5F1, ATP5G1, ATP5G2, ATP5G3, ATP5H, ATP5I, ATP5J, ATP5J2, ATP5L, ATP5O
• MT-ATP6, MT-ATP8

Otros eucariotas

Los eucariotas que pertenecen a algunos linajes divergentes tienen organizaciones muy especiales de la ATP sintasa. Una ATP sintasa de euglenozoa forma un dímero con una cabeza F₁ en forma de boomerang como otras ATP sintasas mitocondriales, pero el subcomplejo F_O tiene muchas subunidades únicas. Utiliza cardiolipina. El inhibidor IF₁ también se une de manera diferente, de una manera compartida con tripanosomátida.

Arqueas

Las arqueas generalmente no tienen una F-ATPasa. En cambio, sintetizan ATP usando A-ATPasa/sintasa, una máquina rotatoria estructuralmente similar a la V-ATPasa pero que funciona principalmente como una ATP sintasa. Al igual que la bacteria F-ATPasa, se cree que también funciona como una ATPasa.

LUCA y anteriores

El orden y el enlace del gen F-ATPasa están ampliamente conservados en los antiguos linajes de procariotas, lo que implica que este sistema ya existía en una fecha anterior al último ancestro común universal, el LUCA.