АТФ-синтаза представляет собой фермент , который катализирует образование молекулы-хранилища энергии аденозинтрифосфата (АТФ) с использованием аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (P i ). АТФ-синтаза представляет собой молекулярную машину . Общая реакция, катализируемая АТФ-синтазой:
АТФ-синтаза расположена через клеточную мембрану и образует отверстие, через которое протоны могут пересекать области с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, передавая энергию для синтеза АТФ. Этот электрохимический градиент генерируется цепью переноса электронов и позволяет клеткам хранить энергию в виде АТФ для последующего использования. В прокариотических клетках АТФ-синтаза располагается через плазматическую мембрану , а в эукариотических клетках — через внутреннюю митохондриальную мембрану . У организмов, способных к фотосинтезу, через тилакоидную мембрану имеется также АТФ-синтаза , которая у растений расположена в хлоропластах , а у цианобактерий — в цитоплазме .
Эукариотические АТФ-синтазы представляют собой F-АТФазы , работающие «обратно» по отношению к АТФазе . Данная статья посвящена в основном этому типу. F-АТФаза состоит из двух основных субъединиц, FO и F 1 , которые имеют вращательный моторный механизм, позволяющий производить АТФ. [1] [2]
Фракция F 1 получила свое название от термина «Фракция 1», а F O (записанная буквой «о», а не «ноль») получила свое название от того, что она является фракцией связывания олигомицина , типа антибиотика природного происхождения, который способен ингибировать FO- единицу АТФ-синтазы. [3] [4] Эти функциональные области состоят из разных белковых субъединиц — см. таблицы. Этот фермент используется в синтезе АТФ посредством аэробного дыхания.
Расположенная внутри тилакоидной мембраны и внутренней мембраны митохондрий , 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, двух b, F6. F 1 состоит из субъединиц α, β, γ и δ. F 1 имеет водорастворимую часть, способную гидролизовать АТФ. С другой стороны, FO имеет в основном гидрофобные области . F O F 1 создает путь для движения протонов через мембрану. [7]
Часть F 1 АТФ-синтазы гидрофильна 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. Остальные субъединицы F 1 γ, δ и ε являются частью вращательного моторного механизма (ротор/ось). Субъединица γ позволяет β претерпевать конформационные изменения (т.е. закрытое, полуоткрытое и открытое состояния), которые позволяют АТФ связываться и высвобождаться после синтеза. Частица F 1 имеет большие размеры и ее можно увидеть в просвечивающем электронном микроскопе путем негативного окрашивания. [8] Это частицы диаметром 9 нм, которые пронизывают внутреннюю мембрану митохондрий.
F O представляет собой водонерастворимый белок с восемью субъединицами и трансмембранным кольцом. Кольцо имеет тетрамерную форму с белком спираль-петля-спираль , который претерпевает конформационные изменения при протонировании и депротонировании, заставляя соседние субъединицы вращаться, вызывая вращение FO, что затем также влияет на конформацию F 1 , что приводит к переключению состояний. альфа- и бета-субъединиц. Область F O АТФ-синтазы представляет собой протонную пору, встроенную в мембрану митохондрий. Он состоит из трех основных субъединиц: а, b и с. Шесть субъединиц c составляют кольцо ротора, а субъединица b образует стебель, соединяющийся с F 1 OSCP, который предотвращает вращение гексамера αβ. Субъединица a соединяет b с кольцом c. [11] У людей есть шесть дополнительных субъединиц: d , e , f , g , F6 и 8 (или A6L). Эта часть фермента расположена во внутренней мембране митохондрий и связывает транслокацию протона с вращением, вызывающим синтез АТФ в области F 1 .
У эукариот митохондриальный FO образует димеры, изгибающие мембрану. Эти димеры самоорганизуются в длинные ряды на концах крист , что, возможно, является первым этапом формирования крист. [12] Атомная модель димерной области FO дрожжей была определена методом криоЭМ с общим разрешением 3,6 Å. [13]
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 конформационных изменений АТФ-синтазы, вызванных 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, являвшаяся на тот момент крупнейшей асимметричной белковой структурой, указывала на то, что модель ротационного катализа Бойера, по сути, верна. За объяснение этого Бойер и Уокер получили половину Нобелевской премии по химии 1997 года .
Кристаллическая структура F 1 демонстрирует чередующиеся альфа- и бета- субъединицы (по три каждой), расположенные как сегменты апельсина вокруг вращающейся асимметричной гамма-субъединицы. Согласно современной модели синтеза АТФ (известной как альтернирующая каталитическая модель), трансмембранный потенциал, создаваемый катионами протонов (H+), доставляемыми электрон-транспортной цепью, вытесняет катионы протонов (H+) из межмембранного пространства через мембрану через мембрану. F O- область АТФ-синтазы. Часть FO ( кольцо c-субъединиц ) вращается при прохождении протонов через мембрану. С -кольцо плотно прикреплено к асимметричному центральному стеблю (состоящему в основном из гамма-субъединицы), заставляя его вращаться внутри альфа- 3- бета - 3 F1 , в результате чего три каталитических сайта связывания нуклеотидов претерпевают ряд конформационных изменений, которые приводят к синтезу АТФ. Главным субъединицам F 1 не позволяется вращаться в соответствии с центральным ротором стебля с помощью периферического стебля, который соединяет альфа 3 бета 3 с невращающейся частью FO . Структура интактной АТФ-синтазы в настоящее время известна с низким разрешением благодаря исследованиям комплекса с помощью электронной криомикроскопии (крио-ЭМ). Крио-ЭМ модель АТФ-синтазы предполагает, что периферический стебель представляет собой гибкую структуру, которая обволакивает комплекс при соединении F 1 с F O . При правильных условиях ферментативная реакция также может осуществляться в обратном направлении, при этом гидролиз АТФ вызывает перекачку протонов через мембрану.
Механизм изменения связывания включает в себя циклическое перемещение активного сайта β-субъединицы между тремя состояниями. [14] В «рыхлом» состоянии АДФ и фосфат попадают в активный центр; на соседней диаграмме это показано розовым цветом. Затем фермент претерпевает изменение формы и сближает эти молекулы, при этом активный центр оказывается в «плотном» состоянии (показано красным), связывая вновь полученную молекулу АТФ с очень высоким сродством . Наконец, активный сайт возвращается в открытое состояние (оранжевый), высвобождая АТФ и связывая больше АДФ и фосфата, готовясь к следующему циклу производства АТФ. [15]
Как и другие ферменты, активность F 1 F O АТФ-синтазы обратима. Достаточно большие количества АТФ заставляют его создавать трансмембранный протонный градиент . Это используется ферментирующими бактериями, которые не имеют цепи переноса электронов, а скорее гидролизуют АТФ с образованием протонного градиента, который они используют для управления жгутиками и транспортировки питательные вещества попадают в клетку.
У дышащих бактерий в физиологических условиях АТФ-синтаза, как правило, работает в противоположном направлении, создавая АТФ, используя в качестве источника энергии движущую силу протонов , создаваемую цепью переноса электронов . 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 выступает в митохондриальный матрикс . Накачивая протон-катионы в матрикс, АТФ-синтаза превращает АДФ в АТФ.
Считается , что эволюция АТФ -синтазы была модульной, в результате чего две функционально независимые субъединицы объединились и приобрели новую функциональность. [16] [17] Эта ассоциация, по-видимому, возникла на ранних этапах эволюционной истории, поскольку по существу одна и та же структура и активность ферментов АТФ-синтазы присутствуют во всех царствах жизни. [16] F-АТФ-синтаза демонстрирует высокое функциональное и механистическое сходство с V-АТФазой . [18] 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 лишь 1. [19]
Область F 1 также демонстрирует значительное сходство с гексамерными ДНК-хеликазами (особенно с фактором Rho ), а вся область фермента демонстрирует некоторое сходство с H.+
-с питанием T3SS или жгутиковых двигательных комплексов. [18] [20] [21] Гексамер α 3 β 3 области F 1 демонстрирует значительное структурное сходство с гексамерными ДНК-хеликазами; оба образуют кольцо с 3-кратной вращательной симметрией с центральной порой. Роли обоих зависят от относительного вращения макромолекулы внутри поры; ДНК-хеликазы используют спиральную форму ДНК, чтобы управлять своим движением вдоль молекулы ДНК и обнаруживать сверхспирализацию, тогда как гексамер α 3 β 3 использует конформационные изменения за счет вращения субъединицы γ для запуска ферментативной реакции. [22]
Н _+
двигатель частицы F O демонстрирует большое функциональное сходство с H+
моторы, приводящие в движение жгутики. [18] Оба имеют кольцо из множества небольших альфа-спиральных белков, которые вращаются относительно близлежащих неподвижных белков, используя H+
Градиент потенциала как источник энергии. Однако эта связь незначительна, поскольку общая структура жгутиковых моторов намного сложнее, чем структура частицы F O , а кольцо, состоящее примерно из 30 вращающихся белков, намного больше, чем 10, 11 или 14 спиральных белков в F O. сложный. Однако более поздние структурные данные показывают, что кольцо и ножка структурно подобны частице F 1 . [21]
Теория модульной эволюции происхождения АТФ-синтазы предполагает, что две субъединицы с независимыми функциями: ДНК-хеликаза с АТФазной активностью и H+
мотор, были способны связываться, и вращение мотора приводило к обратному изменению АТФазной активности геликазы. [16] [22] Затем этот комплекс стал более эффективным и в конечном итоге превратился в современные сложные АТФ-синтазы. Альтернативно, ДНК-хелиза/ H+
двигательный комплекс мог иметь H+
активность насоса с АТФазной активностью геликазы, управляющей H+
двигатель в обратном направлении. [16] Возможно, он эволюционировал, чтобы осуществлять обратную реакцию и действовать как АТФ-синтаза. [17] [23] [24]
Открыто множество природных и синтетических ингибиторов АТФ-синтазы. [25] Они были использованы для исследования структуры и механизма АТФ-синтазы. Некоторые из них могут иметь терапевтическое значение. 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. [25] Некоторые из наиболее часто используемых ингибиторов АТФ-синтазы — это олигомицин и DCCD .
АТФ-синтаза E. coli — это простейшая известная форма АТФ-синтазы, имеющая 8 различных типов субъединиц. [11]
Бактериальные F-АТФазы иногда могут действовать наоборот, превращая их в АТФазу. [26] Некоторые бактерии не имеют F-АТФазы и используют АТФазу A/V-типа двунаправленно. [9]
АТФ-синтаза дрожжей — одна из наиболее изученных АТФ-синтаз эукариот; и были идентифицированы пять субъединиц F 1 , восемь субъединиц FO и семь ассоциированных белков. [7] Большинство этих белков имеют гомологи у других эукариот. [27] [28] [29] [30]
У растений АТФ-синтаза также присутствует в хлоропластах (CF 1 F O -АТФ-синтаза). Фермент интегрирован в тилакоидную мембрану; часть CF 1 прилипает к строме , где происходят темновые реакции фотосинтеза (также называемые светонезависимыми реакциями или циклом Кальвина ) и синтез АТФ. Общая структура и каталитический механизм АТФ-синтазы хлоропластов почти такие же, как у бактериального фермента. Однако в хлоропластах движущую силу протонов генерирует не дыхательная цепь переноса электронов, а первичные фотосинтетические белки. Синтаза имеет вставку из 40 аминокислот в гамма-субъединицу, которая подавляет бесполезную активность в темноте. [31]
АТФ-синтаза, выделенная из митохондрий сердца быка ( Bos taurus ), с точки зрения биохимии и структуры является наиболее изученной 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. [32] [33] [34]
Гены человека, кодирующие компоненты АТФ-синтаз:
Эукариоты, принадлежащие к некоторым дивергентным линиям, имеют совершенно особую организацию АТФ-синтазы. АТФ -синтаза эвгленозоа образует димер с головкой F 1 в форме бумеранга , как и другие митохондриальные АТФ-синтазы, но субкомплекс FO имеет множество уникальных субъединиц. Здесь используется кардиолипин . Ингибирующий IF 1 также связывается по-другому, как и трипаносоматида . [35]
У архей обычно нет F-АТФазы. Вместо этого они синтезируют АТФ, используя А-АТФазу/синтазу, вращающуюся машину, структурно похожую на V-АТФазу , но в основном функционирующую как АТФ-синтазу. [26] Считается, что, как и бактериальная F-АТФаза, она также действует как АТФаза. [9]
Связь генов F-АТФазы и порядок генов широко сохраняются в древних линиях прокариот, а это означает, что эта система уже существовала до появления последнего универсального общего предка , LUCA. [36]