АТФ-синтаза — это фермент , который катализирует образование молекулы хранения энергии аденозинтрифосфата (АТФ) с использованием аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (P i ). АТФ-синтаза — это молекулярная машина . Общая реакция, катализируемая АТФ-синтазой, выглядит следующим образом:
АТФ-синтаза лежит на клеточной мембране и образует отверстие, через которое протоны могут проходить из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, передавая энергию для синтеза АТФ. Этот электрохимический градиент генерируется цепью переноса электронов и позволяет клеткам запасать энергию в АТФ для последующего использования. В прокариотических клетках АТФ-синтаза лежит на плазматической мембране , тогда как в эукариотических клетках она лежит на внутренней митохондриальной мембране . Организмы, способные к фотосинтезу, также имеют АТФ-синтазу на тилакоидной мембране , которая у растений расположена в хлоропласте , а у цианобактерий — в цитоплазме .
Эукариотические АТФ-синтазы являются F-АТФазами , работающими «в обратном направлении» для АТФазы . В этой статье рассматривается в основном этот тип. F-АТФаза состоит из двух основных субъединиц, F O и F 1 , которые имеют вращательный двигательный механизм, позволяющий производить АТФ. [1] [2]
Фракция F 1 получила свое название от термина «Фракция 1», а F O (пишется как подстрочная буква «о», а не «ноль») получила свое название от связывающей фракции для олигомицина , типа антибиотика естественного происхождения, который способен ингибировать единицу F O АТФ-синтазы. [3] [4] Эти функциональные области состоят из различных белковых субъединиц — см. таблицы. Этот фермент используется в синтезе АТФ посредством аэробного дыхания.
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, двух 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. [7]
Часть F 1 АТФ-синтазы гидрофильна и отвечает за гидролиз АТФ. Часть 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 вращательного моторного механизма (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 большая и может быть видна в просвечивающем электронном микроскопе с помощью негативного окрашивания. [8] Это частицы диаметром 9 нм, которые усеивают внутреннюю митохондриальную мембрану.
F O — это 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 F O , которое 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 митохондриальную мембрану. Она состоит из трех основных субъединиц, a, b и c. Шесть субъединиц c составляют роторное кольцо, а субъединица b составляет 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 перемещение протонов с вращением, которое вызывает синтез АТФ в области F1 .
У эукариот митохондриальный F O образует димеры, изгибающие мембрану. Эти димеры самоорганизуются в длинные ряды на конце крист , возможно, это первый шаг формирования крист. [12] Атомная модель для димерной области дрожжей F O была определена с помощью крио-ЭМ при общем разрешении 3,6 Å. [13]
В 1960–1970-х годах Пол Бойер , профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе , разработал теорию механизма изменения связывания, или флип-флоп, которая постулировала, что синтез АТФ зависит от конформационного изменения в АТФ-синтазе, вызванного вращением гамма-субъединицы. Исследовательская группа Джона Э. Уокера , тогда работавшего в Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже , кристаллизовала каталитический домен F 1 АТФ-синтазы. Структура, на тот момент самая большая известная асимметричная структура белка, указывала на то, что модель вращательного катализа Бойера была, по сути, правильной. За разъяснение этого Бойер и Уокер разделили половину Нобелевской премии по химии 1997 года .
Кристаллическая структура F 1 показала 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 катионами протонов (H+), поставляемыми цепью переноса электронов, перемещает катионы протонов (H+) из межмембранного пространства через мембрану через область F O синтазы АТФ. Часть F O (кольцо c-субъединиц ) вращается , когда протоны проходят через мембрану. C-кольцо плотно прикреплено к асимметричному центральному стеблю (состоящему в основном из гамма-субъединицы), заставляя его вращаться внутри альфа- 3- бета- 3 F 1, заставляя 3 каталитических участка связывания нуклеотидов проходить через ряд конформационных изменений, которые приводят к синтезу АТФ. Основные субъединицы F 1 не могут вращаться в соответствии с центральным ротором стебля с помощью периферического стебля, который соединяет альфа 3 бета 3 с невращающейся частью 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 предполагает, что периферический стебель представляет собой гибкую структуру, которая оборачивается вокруг комплекса, соединяя F 1 с F O . При правильных условиях ферментативная реакция может также осуществляться в обратном направлении, при этом гидролиз АТФ приводит к перекачке протонов через мембрану.
Механизм изменения связывания включает в себя цикличность активного центра субъединицы β между тремя состояниями. [14] В «свободном» состоянии АДФ и фосфат входят в активный центр; на соседней диаграмме это показано розовым цветом. Затем фермент претерпевает изменение формы и заставляет эти молекулы соединяться, при этом активный центр в результирующем «плотном» состоянии (показано красным цветом) связывает вновь произведенную молекулу АТФ с очень высоким сродством . Наконец, активный центр 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 большое количество АТФ заставляет ее создавать трансмембранный протонный градиент , который используется ферментирующими бактериями, не имеющими цепи переноса электронов, а гидролизующими АТФ для создания протонного градиента, который они используют для управления жгутиками и транспортировки питательных веществ в клетку.
У дышащих бактерий в физиологических условиях АТФ-синтаза, как правило, работает в противоположном направлении, создавая АТФ, используя движущую силу протонов , 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 выступает в митохондриальный матрикс . Закачивая катионы протонов в матрикс, АТФ-синтаза преобразует АДФ в АТФ.
Эволюция АТФ-синтазы , как полагают, была модульной, в результате чего две функционально независимые субъединицы стали ассоциироваться и приобрели новые функциональные возможности. [16] [17] Эта ассоциация, по-видимому, произошла на ранней стадии эволюционной истории, поскольку по сути 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, создавая значения pH вплоть до 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+
-питаемые T3SS или жгутиковые двигательные комплексы. [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. Оба имеют роли, зависящие от относительного вращения макромолекулы внутри поры; ДНК-хеликазы используют спиральную форму ДНК для управления своим движением вдоль молекулы ДНК и для обнаружения суперспирализации, тогда как гексамер α 3 β 3 использует конформационные изменения посредством вращения субъединицы γ для управления ферментативной реакцией. [22]
H- образный+
Двигатель частицы F O демонстрирует большое функциональное сходство с частицей H+
двигатели, которые управляют жгутиками. [18] Оба имеют кольцо из множества небольших альфа-спиральных белков, которые вращаются относительно соседних неподвижных белков, используя H+
градиент потенциала как источник энергии. Однако эта связь слаба, поскольку общая структура жгутиковых моторов намного сложнее, чем у частицы F O , а кольцо с примерно 30 вращающимися белками намного больше, чем 10, 11 или 14 спиральных белков в комплексе F O. Однако более поздние структурные данные показывают, что кольцо и стебель структурно похожи на частицу F 1. [21]
Модульная эволюционная теория происхождения АТФ-синтазы предполагает, что две субъединицы с независимыми функциями: ДНК-хеликаза с активностью АТФазы и H+
мотор, смогли связать, и вращение мотора заставило АТФазную активность геликазы двигаться в обратном направлении. [16] [22] Этот комплекс затем развил большую эффективность и в конечном итоге превратился в сегодняшние сложные АТФ-синтазы. В качестве альтернативы, ДНК-хеликаза/ H+
двигательный комплекс мог иметь H+
насосная активность с АТФазной активностью геликазы, приводящей в движение H+
двигатель в обратном направлении. [16] Это могло развиться для осуществления обратной реакции и функционирования в качестве АТФ-синтазы. [17] [23] [24]
Было обнаружено множество природных и синтетических ингибиторов АТФ-синтазы. [25] Они использовались для исследования структуры и механизма АТФ-синтазы. Некоторые из них 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 разнообразные химические вещества. [25] Некоторые из наиболее часто используемых ингибиторов АТФ-синтазы — олигомицин и DCCD .
АТФ-синтаза E. coli является простейшей известной формой АТФ-синтазы, состоящей из 8 различных типов субъединиц.[11]
Бактериальные F-АТФазы иногда могут работать в обратном направлении, превращаясь в АТФазу. [26] У некоторых бактерий нет F-АТФазы, они используют АТФазу типа A/V двунаправленно. [9]
Дрожжевая АТФ-синтаза является одной из наиболее изученных эукариотических АТФ-синтаз; идентифицированы пять F 1 , восемь F O субъединиц и семь ассоциированных белков. [7] Большинство этих белков имеют гомологов у других эукариот. [27] [28] [29] [30]
В растениях АТФ-синтаза также присутствует в хлоропластах (CF 1 F O -АТФ-синтаза). Фермент интегрирован в тилакоидную мембрану; CF 1 -часть прилипает к строме , где происходят темновые реакции фотосинтеза (также называемые светонезависимыми реакциями или циклом Кальвина ) и синтез АТФ. Общая структура и каталитический механизм хлоропластной АТФ-синтазы почти такие же, как у бактериального фермента. Однако в хлоропластах движущая сила протона генерируется не дыхательной цепью переноса электронов, а первичными фотосинтетическими белками. Синтаза имеет вставку из 40 аминокислот в гамма-субъединице для ингибирования бесполезной активности в темноте. [31]
АТФ-синтаза, выделенная из митохондрий сердца быка ( Bos taurus ), является, с точки зрения биохимии и структуры, 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. [32] [33] [34]
Гены человека, кодирующие компоненты АТФ-синтаз:
Эукариоты, принадлежащие к некоторым дивергентным линиям, имеют очень специфическую организацию АТФ-синтазы. Эвгленозоа АТФ-синтаза образует димер с головкой F 1 в форме бумеранга , как и другие митохондриальные АТФ-синтазы, но подкомплекс F O имеет много уникальных субъединиц. Он использует кардиолипин . Ингибирующий IF 1 также связывается по-другому, способом, общим с трипаносоматидами . [35]
Археи, как правило, не имеют F-АТФазы. Вместо этого они синтезируют АТФ с помощью A-АТФазы/синтазы, роторной машины, структурно похожей на V-АТФазу , но в основном функционирующей как АТФ-синтаза. [26] Как и бактериальная F-АТФаза, она, как полагают, также функционирует как АТФаза. [9]
Сцепление генов F-АТФазы и порядок генов широко сохранены в древних линиях прокариот, что подразумевает, что эта система уже существовала до появления последнего универсального общего предка , LUCA. [36]