ATP synthase

Các bằng chứng khoa học cho cơ chế bám-thay đổi

Các nhà khoa học đã tìm ra một số bằng chứng ủng hộ cơ chế bám-thay đổi này. Các nghiên cứu về hóa sinh cho thấy một trong số các tiểu đơn vị β có khả năng bám ADP và Pᵢ rất chặt và phản ứng sinh tổng hợp ATP từ các ADP và Pᵢ đó có mức năng lượng tự do Gibbs ΔG gần bằng không - điều này cho thấy ADP và Pᵢ trong tiểu đơn vị β ở trạng thái chặt sẽ lập tức chuyển đổi thành ATP. Việc này cũng đưa ra một giả thuyết rằng phản ứng phân ly ATP có thể được cung cấp năng lượng bởi sự thay đổi cấu hình của β, sự thay đổi này bắt nguồn từ năng lượng của dòng proton chảy qua FO.
Việc nghiên cứu hình thái tinh thể học của cụm tiểu đơn vị β và α đã đưa ra một kết luận ấn tượng: cả ba tiểu đơn vị β giống hệt nhau về cấu trúc hóa học chung và về trình tự chuỗi axít amin, tuy nhiên cấu hình ở khu vực bám ATP/ADP thì khác hẳn. Lời lý giải hợp lý nhất cho chuyện này đó là cả ba β có ba trạng thái khác nhau chuyển đổi theo chu kỳ - với vị trí bám nuclêôtít khác nhau theo trạng thái - trong một phản ứng hóa học mà hoạt động của nó phải được cung cấp năng lượng. Ở một số thí nghiệm khác các ATP synthase còn nguyên vẹn cũng đã được cho tiếp xúc với các hóa chất có tác dụng tạo liên kết cộng hóa trị giữa các tiểu đơn vị c với γ và ε. Sau khi tạo liên kết thì ATP synthase vẫn hoạt động sinh tổng hợp và thủy phân ATP bình thường, điều này cho thấy c, γ và ε thực chất cùng quay với nhau.
Một số thí nghiệm về hoạt động quay của ATP synthase cũng được thực hiện với năng lượng lấy từ sự thủy phân ATP. Các tiểu đơn vị β được gắn thêm các chuỗi histidine₆ giúp chúng gắn chặt vào một mặt kính có phết chất "keo" bám dính các sợi histidine. Tiểu đơn vị γ thì gắn vào một sợi actin phát huỳnh quang để nhận diện khi quan sát bởi kính hiển vi. Kết quả cho thấy sợi này quay vòng tròn theo từng bước với mỗi bước ứng với việc quay 120 độ, việc quay được cung cấp năng lượng bởi sự thủy phân ATP do β thực thi. Một thí nghiệm tương tự cho thấy các tiểu đơn vị c, γ và ε gắn chặt với nhau và xoay vòng tròn nếu xét hệ quy chiếu là cụm β và α đứng yên. Mặc dù các thí nghiệm này thực chất thể hiện quá trình thủy phân ATP của ATP synthase - quá trình đảo ngược của sự sinh tổng hợp ATP - chúng đã cho thấy các c, γ và ε thực chất đã quay, và điều đó dẫn tới sự thay đổi cấu hình của β và kéo theo là sự sinh tổng hợp ATP diễn ra tại β.

Vai trò sinh lý và hoạt tính

Trong các vi khuẩn có khả năng hô hấp dưới các điều kiện sinh lý, ATP synthase nhìn chung hoạt động theo hướng ngược lại, dùng để sản sinh ATP bằng cách sử dụng lực vận động proton tạo bởi chuỗi chuyển điện tử như là một nguồn năng lượng. Quá trình tạo năng lượng như thế này được gọi là sự phosphorylate ôxi hóa. Một quá trình tương tự xảy ra trong ti thể, nơi ATP synthase có mặt tại màng trong của nó (phần F₁ hướng về chất nền, nơi diễn ra sự tổng hợp ATP). Vai trò và sự hoạt động của ti thể trong các sinh vật nhân chuẩn giúp tế bào giữ được hàm lượng ATP cao gấp 10 lần ADP và nhờ đó giữ được phản ứng thủy phân ATP luôn xảy ra theo chiều thuận.
Giống như các enzyme khác, hoạt tính của F₁FO và ATP synthase mang tính thuận nghịch, hoán chuyển giữa thế điện hóa proton và năng lượng trong các liên kết hóa học. Phản ứng xảy ra theo chiều tổng hợp hay thủy phân ATP phụ thuộc vào sự cân bằng giữa năng lượng độ dốc của thế điện hóa proton (Gₚ, với giá trị luôn âm) và sự chênh lệch giữa năng lượng tự do Gibbs (ΔG, với giá trị luôn dương) trong phản ứng thủy phân ATP; sự cân bằng của hai giá trị này xảy ra khi Gₚ + ΔG = 0. Gₚ tỉ lệ trực tiếp với giá trị của lực vận động proton xuyên qua màng ti thể, còn ΔG tùy thuộc vào tỉ lệ của ATP với ADP và Pᵢ Cụ thể, Gₚ + ΔG < 0, ATP synthase sẽ đóng vai trò sản sinh ATP nhằm thay đổi tỉ lệ ATP với ADP và Pᵢ. Tương tự nếu Gₚ + ΔG > 0, ATP synthase sẽ thủy phân ATP để bơm thêm proton nhằm tăng cường sự chênh lệch thế điện hóa.
Tương tự, ở vi khuẩn ATP synthase cũng có tác dụng hoán chuyển giữa biến dưỡng hiếu khí và kị khí. Ở đây, một lượng ATP sythase vừa đủ lớn có thể giúp tạo ra một thế proton điện hóa được dùng bởi các vi khuẩn lên men vốn không có chuỗi chuyển điện tử, và thủy phân ATP để tạo ra một thế proton dùng để quay các tiên mao hay vận chuyển các chất dinh dưỡng trong tế bào.

Thực vật

Trong thực vật, ATP synthase cũng tồn tại trong các lục lạp (CF₁FO-ATP synthase), cụ thể chúng nằm lẫn trong lớp màng của các thylakoid. Trong đó phần CF₁ hướng về chất nền, nơi pha tối của quang hợp - tức Chu trình Calvin - diễn ra và đó cũng là nơi sinh tổng hợp ATP. Cấu trúc tổng quát và cơ chế hoạt động của ATP synthase tại lục lạp gần như là giống với ti thể. Tuy nhiên, thế điện hóa và lực vận động proton ở lục lạp không phải được hình thành bởi chuỗi chuyển điện tử trong hô hấp mà bởi các protein quang hợp chính.

Bò

ATP synthase phân lập từ ti thể ở mô tim bò (Bos taurus) - xét về mặt cấu trúc và hóa sinh - là loại ATP synthase điển hình nhất. Tim bò được dùng như một nguồn cung cấp ATP synthase vì hàm lượng ti thể trong cơ tim bò rất cao.

Trực khuẩn đại tràng E. coli

Đây là loại đơn giản nhất hiện được biết đến trong dòng họ ATP synthase, bao hàm tám loại tiểu đơn vị protein.

Nấm men

Trong số các sinh vật nhân chuẩn, ATP synthase của nấm men được nghiên cứu kỹ nhất. Nó bao gồm 5 tiểu đơn vị ở phần F₁ và 8 ở phần FO; 7 protein kèm theo cũng đã được nhận diện. Phần lớn các protein này đều có các chất tương đồng trong cơ thể sống của các sinh vật nhân chuẩn khác.

Quá trình tiến hóa của ATP synthase

Sự tiến hóa của ATP synthase được cho là một ví dụ của tiến hóa khảm (mosaic evolution), trong đó hai tiểu đơn vị với chức năng riêng biệt đã gắn kết với nhau và có thêm chức năng hoàn toàn mới. Việc gắn kết này hẳn đã xảy ra trong giai đoạn rất sớm của quá trình tiến hóa của các cơ thể sống, bằng chứng là cấu trúc và hoạt động của ATP synthase được bảo tồn trong tất cả các sinh giới. Enzyme F-ATP synthase có nhiều sự tương đồng về mặt cấu trúc lẫn chức năng với V-ATPase. Tuy nhiên trong khi F-ATP synthase tổng hợp ATP bằng cách dùng nguồn năng lượng của sự chênh lệch thế proton, V-ATPase thực thi vai trò kiến tạo nên một thế proton bằng cách thủy phân ATP, khiến môi trường có độ PH bằng 1.
Phần F₁ của ATP synthase cũng có nhiều nét tương đồng với cấu trúc của enzym lục hợp phân tử hêlicaza; còn phần FO có những nét tương đồng với phức hợp "động cơ" quay tiên mao được cung cấp năng lượng bởi dòng proton H⁺. Thể lục hợp phân tử α₃β₃ của F₁ và thể lục hợp phân tử hêlicaza ADN cùng có cấu trúc vòng như chiếc nhẫn tí hon với một lỗ trống ở trung tâm. Hêlicaza ADN sử dụng hình dạng xoắn ốc của ADN để giúp nó chuyển động dọc theo phân tử này và phát hiện ra những chỗ xoắn, còn α₃β₃ sử dụng sự thay đổi cấu hình do chuyển động xoay tròn của tiểu đơn vị γ tạo phản ứng được xúc tác bởi enzyme.
Phần môto H⁺ của FO cho thấy sự tương đồng to lớn về chức năng với người đồng sự ở tiên mao. Cả hai đều bao hàm một vòng ghép bởi các protein có hinh dạng xoắn alpha, chuyên động xoay tròn so với các protein đứng yên xung quan nó với năng lượng lấy từ thế điện hóa proton. Tuy nhiên đây chỉ là một mối liên hệ mỏng manh giữa hai cấu trúc vì bản thân môto của tiên mao có cấu trúc phức tạp hơn rất nhiều, vòng xoay của tiên mao cũng lớn hơn rất nhiều, bao hàm đến 30 proteinm so với 10, 11, hay 14 của FO.
Thuyết tiến hóa khảm bề nguồn gốc của ATP synthase cho rằng hai tiểu đơn vị với chức năng khác nhau, một hêlicaza ADN với hoạt tính của ATPase và một môto H⁺ đã gắn kết với nhau và sự quay của môto đã phát động hoạt tính ATPase của hêlicaza theo chiều ngược lại. Cấu trúc này càng về sau càng hoàn thiện và cuối cùng trở thành enzyme ATP synthase ngày nay. Một giả thuyết khác cho rằng hêlicaza ADN/phức hợp mô to H⁺ cũng có thể chức năng bơm proton H⁺, hoạt tính ATPase của hêlicaza đã thúc đẩy hoạt động của động cơ H⁺ theo chiều ngược lại. Về sau chúng tiến hóa để thực thi hoạt động theo chiều ngược lại là sinh tổng hợp ATP, trở thành ATP synthase.