V-tüüpi ATPaasid

Vakuolaarset-tüüpi H⁺ -ATPaasid ehk V-ATPaasid on kõrgelt konserveerunud evolutsiooniliselt vanad ensüümid, millel on märkimisväärselt palju erinevaid funktsioone eukarüootsetes organismides. V-ATPaasid muudavad mitmeid rakusiseseid organelle happeliseks ning pumpavad prootoneid eri rakutüüpides üle plasmamembraani. V-tüüpi ATPaasid kasutavad ATP hüdrolüüsil vabanevat energiat, et transportida prootoneid eukarüootsetes rakkudes rakusiseste- ja plasmamembraanide vahel. Kuigi V-ATPaasid on roteeruvate ATPaasidega struktuurilt ja funktsioonilt väga sarnased, on V-ATPaasid kõige komplekssemad roteeruvad valgukompleksid ja nad on evolutsiooni jooksul omandanud väga unikaalsed funktsioonid.

V-tüüpi ATPaaside rollid

V-ATPaase on leitud mitmete organellide membraanidest, nagu endosoomide, lüsosoomide, sekretoorsete vesiikulite, klatriiniga kaetud vesiikulite, kromafiinsete graanulite, taimede ja seente tsentraalvakuoolide membraanidest, kus nad täidavad mitmeid hädavajalikke funktsioone organelli toimimiseks. V-ATPaasid muudavad nende organellide sisekeskkonna happeliseks, mis on funktsionaalsuse tagamiseks vajalik. Näiteks pärmseente vakuolaarmembraanis on prootongradient V-tüüpi ATPaaside poolt tekitatud, mis on vajalik kaltsiumi transpordiks vakuooli H⁺/Ca2⁺ antiporter transportsüsteemi kaudu. V-ATPaasidel on ka tähtis koht sünaptilises ülekandes. V-ATPaasid muudavad närvirakkudes sünaptilised vesiikulid happeliseks, mis võimaldab sünapsi ülekannet.
V-ATPaase leidub eri rakutüüpide plasmamembraanides. Nendeks on interkaleeritud rakud neerus, osteoklastid, makrofaagid, neutrofiilid, sperma, mehe suguteede rakud, putukate kesksoole rakud ning teatud kasvajarakud. V-ATPaasidel on tähtis roll membraanide transpordis, valkude lagundamises, viiruse ja toksiinide rakku sisenemises, luude restruktureerimises, tsütoplasma pH homöostaasis, spermatogeneesis, uriini happeliseks muutmises, kasvajarakkude invasioonis. Lisaks osalevad V-ATPaasid otseselt vesiikulite transpordi reguleerimises jt vähemtuntud reaktsioonide reguleerimises.

V-tüüpi ATPaasi struktuur

Eukarüootides esinevad V-ATPaasid koosnevad mitmetest erinevatest valgulistest alaühikutest. Funktsionaalne V-ATPaas on valkude ja membraani kompleks, mis töötab kui roteeruv prootoneid pumpav mootor. V-ATPaaside struktuur sarnaneb eukarüootide mitokondrite membraanidest ja eubakterite plasmamembranidest leitud F-ATP süntetaasidega. V-ATPaasid on samuti lähedased arhede ja mõningate eubakterite plasmamembraanidest leitud A-ATP süntetaasidega. Neile kolmele on omane mebraaniga seotud osa Vₒ/Aₒ/Fₒ, kus "o" viitab oligomütsiini tundlikkusele, mida on F-ATPsüntetaaside puhul kirjeldatud. See membraaniga integreeritud osa koosneb mootorist ja ioonkanalist. V₁/A₁/F₁-domeenid, mis ajalooliselt on oma nime veise südame mitokondrist pärit F-ATP süntaasi lahustuva faktori (F₁) järgi saanud, on ATPaasi/ATP süntaasi katalüütilised piirkonnad.
Eukarüootne V-ATPaas on 900kDa membraani läbiv valgukompleks, mis koosneb 14 erinevast A3, B₃, C, D, E₃, F, G₃, H, a, cX, c′Y, c″Z, d, e alaühikust ja moodustab kaks eraldiseisvat domeeni: V₁ ja Vₒ. E.coli's esinev F-ATPaasi molekulmass on 530kDa, mis on tunduvalt väiksem eukarüootides olevast V-ATPaasist. Molekulmasside erinevus tuleneb eukarüootides esinevatest lisaalaühikutest ning alaühikute erinevusest. Paljud alaühikud esinevad erinevate isovormidena ning c, c′ ja c″ alaühikute stöhhiomeetria (X,Y,Z) on teadmata. Väiketähtedega märgitud alaühikud moodustavad membraaniga seotud Vₒ domeeni ning suurtähtedega märgitud alaühikud vastavalt V₁ domeeni, mis paikneb membraanist eemal. Ainult V-ATPaasidele on omane pöörduv V₁ ja Vₒ domeenide kokku- ja lahtipakkimine, mis ei vaja uute valkude sünteesi.
Tsütoplasmas paiknev V₁ ATP-d hüdrolüüsiv domeen koosneb 8 kindla stöhhiomeetriaga alaühikust: A3, B₃, C, D, E₃, F, G₃, H1–2. Membraani läbiv prootonite ümberpaigutamises osalev Vₒ domeen koosneb 6 alaühikust: a,c₄,c′,c′′,d,e. Talitluslikult on A₃B₃ katalüütiline heksameer prootoneid juhtiva rajaga valguliste telgedega seotud. Keskne telg, mis töötab kui rootor, koosneb D ja F alaühikust ning on ühendatud hüdrofoobsete alaühikutega: c, c′,c′. Tsütosoolne a alaühiku N-terminaalne domeen koos C, E, G ja H alaühikuga moodustavad kaks välist staatilist telge. Need staatilised teljed on katalüütilise A₃ B₃ heksameeriga seotud ning nad moodustavad staatori. Staator ja rootor ühendavad ATP hüdrolüüsi ja prootonite pumpamise mehhanismi. V-ATPaasi võib vaadelda kui nanomootorit, mille tööprotsessis rootor pöörleb staatori suhtes.
Pärmi struktuursetele V-ATPaasi alaühikutele lisaks on leitud ka valke, mis on vajalikud V-ATPaasi alaühikute õigeks kokkupakkimiseks. Need valgud on vajalikud Vₒ domeeni kokkupanekuks ning neid nimetatakse järgmiselt: Vma12p, Vma21p ja Vma22p. Vma viitab (ingl vacuolar membrane ATPase) vakuolaarses membraanis esinevale ATPaasile ning täht p viitab valgule (ingl protein). Kaks valku kolmest, Vma12 ja Vma22p, moodustavad kompleksi, mis seondub ajutiselt Vph1p-ga (alaühik a), et abistada selle kokkupanemist ja maturatsiooni. Vma21p koordineerib Vₒ subühikute kokkupanemist ja Vₒ komplekside vesiikulitesse suunamist Golgi kompleksi transpordiks.

V1

V₁ domeen paikneb tsüotoplasmas ning seal toimub ATP hüdrolüüs. Domeen koosneb vaheldumisi paiknevast 3 A ja 3 B alaühikust, millest moodustub katalüütiline heksameer. Keskne telg, mis töötab kui rootor, koosneb D ja F alaühikust. Tsütosoolne a alaühiku N-terminaalne domeen, mis kuulub Vₒ koosseisu, koos C, E, G ja H alaühikuga moodustavad kaks välist staatilist telge. Manduca sexta V-ATPaasi katalüütilise heksameeri ja Vₒ domeeni vahemaa on ligikaudu 100 Å.

Alaühik C

Molekulaarbioloogias tähistab V-ATPaasi C alaühik C-terminaalset alaühikut, mis on V₁ kompleksi osa ja paikneb V₁ ja Vₒ domeenide piirpindade vahel.

Vo

Praeguseks on leitud, et eukarüootide membraani läbiv prootonite ümberpaigutamises osalev Vₒ domeen koosneb 6 alaühikust: a,c₄,c′,c′′,d,e ning kahest lisavalgust. Saccharomyces cerevisiae Vₒ domeenis leiduvad a,c₄,c′,c′′,d,e alaühikud. Imetajarakkudes leidub see-eest 5 alaühikut: a (a1, a2, a3 ja a4 isovormid), c, c″, d (d1 ja d2 isovormid) ning e (e1 ja e2 isovormid) , sest c′ alaühikut kodeerivat geeni ei ole leitud. Veel on leitud, et erinevalt S. cerevisiae Vₒ domeenist esineb eukarüootide Vₒ domeenis kaks lisaalaühikut Ac45 ja M8-9.

V-ATPaaside aktiivsuse kontroll

V-ATPaasid osalevad mitmesugustes füsioloogilistes protsessides ning V-ATPaaside aktiivsuse regulatsioonil on selles otsustav roll. Aktiivsuse regulatsioon on tagatud paljude mehhanismidega – pöörduva V₁Vₒ kompleksi kokku- ja lahtipakkimise, rakusisese paigutuse, ATP hüdrolüüsi aktviisuse reguleerimise, valguekspressiooni kontrolli jt mehhanismide abil.

X-seoseline ülemäärase autofaagiaga müopaatia (XMEA)

X-seoseline ülemäärase autofaagiaga müopaatia (XMEA ingl X-linked myopathy with excessice autophagy) on haruldane geneetilise taustaga haigus, mille põhjuseks on mutatsioon VMA21 geenis. Haigus algab lapseeas ning aeglaselt progresseerudes põhjustab lihasnõrkuse. Tüüpiliselt algab see haigus jalgadest ning osad patsiendid vajavad vananedes ratastooliabi liikumiseks. VMA21 geeni poolt kodeeritud vma21 valk abistab V-ATPaasi kokkupakkimist ning XMEA haigusega seotud geenimutatsioonid on seotud V-ATPaasi vähenenud aktiivsuse ja kõrgema lüsosomaalse pH-ga.

Distaalne renaalne tubulaaratsidoos (dRTA)

V-ATPaaside tähtsust neerudes toimuvas prootonisekretsioonis näitlikustab väga hästi haigus distaalne renaalne tubulaaratsidoos (ingl distal renal tubular acidosis). Kõikide renaalsete tubulaarsete atsidooside korral on normaalne renaalne mehhanism, mis reguleerib süsteemi pH-d, häiritud. On teada nelja tüüpi renaalset atsidoosi. Tüüp 1 on distaalne renaalne atsidoos, mis on põhjustatud kortikaalse kogumistoru häirest uriini pH alla 5 viia. Mõned autosomaalse retsessiivse dRTA-ga patsiendid on sensorineuraalse kuulmiskahjustusega. Seda tüüpi retinaalse tubulaarse atsidoosi päritavus tuleneb kas mutatsioonidest V-ATPaasi alaühiku B1 isovormis, alaühiku a isovormis a4 või vöödis 3 (nimetatud ka kui AE1), mis on Cl⁻/HCO3⁻ aniooni transportervalk. 12 erinevat mutatsiooni V-ATPaasi B1 isovormis ning 24 erinevat mutatsiooni a4 isovormis viivad dRTA tekkeni. Pöördtranskriptsiooni ahelreaktsiooni uuringud on näidanud a4 alaühiku ekspressiooni neeru interkaleerunud rakkudes ning teos. DRTA, mis on a4 alaühiku geenimutatsioonidest põhjustatud, on mõnikord seostatav võimetusega sisekõrvas endolümfi happeliseks muuta.