ATPaasid

ATPaasid ehk adenosiintrifosfataasid on suur rühm ensüüme, mis katalüüsivad adenosiintrifosfaadi (ATP) hüdrolüütilist lagunemist adenosiindifosfaadiks (ADP) ja fosfaatiooniks. ATP lagunemisel ADP-ks vabaneb energia, mida organism saab kasutada mitmesuguste biokeemiliste reaktsioonide tarbeks. Enamik ATPaase kuulub primaarsete aktiivsete transporterite rühma ja tegeleb peamiselt translokatsiooniga. ATPaasid jagunevad põhiliselt P-tüüpi ATPaasideks, V-tüüpi ATPaasid ja F-tüüpi ATPaasid. Igal rühmal on iseloomulikud struktuurid ja mehhanismid. P-tüüpi ATPaasid on membraanseoselised ATPaasid, mis tegelevad peamiselt toiteainete (suhkrute ja aminohapete transpordiga) ning tagavad raku normaalse ioonkontsentratsiooni. V-tüüpi ATPaaside alla kuuluvad prootonpumbad, mille ülesandeks on tasakaalustada erinevate raku organellide happesisaldust. F-tüüpi ATPaasid on iseloomulikud bakteritele, mitokondritele ja kolorplastidele ja on suutelised nii hüdrolüüsima kui ka sünteesima ATP-d. Peale selle on olemas ABC-transporterid ja AAA-transporterid, mille peamine ülesanne ei ole ATP energia kasutamine, kuigi neil on võime seda teha. P-tüüpi ATPaaside nimi tuleneb nende võimest fosforüleerida (ingl phosphorylate) vaheühendeid. P-tüüpi ATPaasid kasutavad substraatideks erinevaid aineid ioonidest fosfolipiidideni ja ATP hüdrolüüsist saadud energiat kasutatakse erinevate toiteainete transportimiseks rakku. Samuti võivad nad rakust välja pumbata toksilisi ja rakke kahjustavaid aineid ning kontrollivad ioongradienti püsivust. P-tüüpi ATPaasid on membraansed ATPaasid ja transport toimub rakus konformatsiooniliste muutuste tõttu, mille toob kaasa ATP-st vabanenud energia. Tüüpilisteks P-tüüpi ATPaaside mehhanismi näideteks on Ca2+-, Na+- ja K+-ATPaasid. P-tüüpi ATPaasidel on omakorda viis alamperekonda. Nende ühiseks jooneks on see, et kõik omavad P-tüüpi ATPaasidele iseloomulikke domeene. Neid domeene on kokku viis. Aktuaatordomeen ehk täiturdomeen, nukleotiidide sidumisdomeen ja fosforüleerimisdomeen, on kolmekesi tsütoplasmaatilised domeenid. Transpordidomeen ja klassispetsiifiline domeen klassifitseeritakse membraani sisesteks domeeniteks. Ja viimasena R-domeen ehk regulatoorne domeen, mille ülesandeid täidavad P-tüüpi ATPaaside puhul tavaliselt kas N- või C-terminus või mõlemad koos, mis võivad käituda autoinhibiitoritena, mõjutades domeenide liikuvust, ioonide vastuvõtlikkust ja sidumist. PI alamperekonda kuuluvad Cu+-, Zn2+-, ja Co2+-ATPaasid, mis tegelevad raskmetallide mürgistuse vastu võitlemisega, pumbates neid rakust välja. PII hulka kuuluvad kõige tavalisemad näited P-tüüpi ATPaasidest, mis hoiavad ioongradienti, nagu näiteks üleval mainitud Ca2+-, Na+- ja K+-ATPaasid. PIII alamperekonda klassifitseeritakse H+-ATPaasid, mis on analoogsed PII ATPaasidele ja täidavad sarnaseid ülesandeid, kuid neid leidub enamasti just seentes ja taimedes. PIV koondab oletatavaid fosfolipiidide flipaase, mis on levinud eukarüootidel ja mille peamisteks ülesanneteks on korraldada vesiikulite transporti erinevates biokeemilistes radades, samuti on nad olulised fosfolipiidkihi säilimise juures, kuna nad korraldavad fosfolipiidide liikumist ühelt membraani poolelt teisele. Viimaseks alamperekonnaks loetakse PV Orb transporterid, kuhu kuuluvad transporterid, mille puhul on kindlaks tehtud valgu järjestused, mis omavad iseloomulike P-tüüpi ATPaaside motiive, kuid praktikas pole nende uurimisega eriti kaugele jõutud ja ei teata, millist substraati nad kasutavad. Üheks paremini uuritud näiteks on pärmi S. cerevisiae helikaasne valk Spf1. Na+/K+-ATPaas on transporter, mis transpordib rakku sisse üle membraani Na+-ioone ja rakust välja K+-ioone. Ioonide suhe on 3/2-le ehk 3 Na+-iooni kohta, mis sisenevad rakku, tuleb välja pumbata 2 K+-iooni. Na+/K+-ATPaasid esinevad loomsetes rakkudes ja kannavad ioone nende ioonigradienti vastu. Selleks kasutab ATPaas aktiivset transporti, mille käigus ATP hüdrolüüsitakse. Üks praktiline näide P-tüüpi ATPaasidest on gastraalne vesinik-kaaliumpump: gastraalne vesinik-kaalium-ATPaas või H+/K+-ATPaas on kõhus asuv prootonpump. See vahetab kaaliumi sooli luumenist tsütoplasmaatilise vesiniku vastu ja on ensüüm, mis on peamiselt vastutav soolestiku koostise hapestamise eest. H+/K+-ATPaasi leidub pateriaalsetes rakkudes, mis on kõrgelt spetsialiseerunud epiteliaalsed rakud, lokaliseeritud mao rakkude sisemisse voodrisse, mida nimetatakse gastraalseks mukoosaks. Pateriaalsetel rakkudel on ulatuslik sekretoorne membraanisüsteem ja H+/K+-ATPaas on nende membraanide peamine koostisosa. Väike hulk H+/K+-ATPaasi leidub ka renaalses säsis. Teine üks enim tuntumaid ATPaase on Ca2+-transporter, mille tähtsust ja funktsiooni on palju uuritud. Plasmamembraani Ca2+-ATPaas (plasma membrane Ca2+-ATPaas (PMCA) on transportvalk raku plasmamembraanis, mis tegeleb kaltsiumi (Ca2+) eemaldamisega rakust ja on nõnda eluliselt tähtis reguleerimaks Ca2+ hulka rakus. Plasmamembraani Ca2+-ATPaas seotud Ca2+ eemaldamisega kõigist eukarüootsetest rakkudest. Seal on väga suur transmembraanne elektrokeemiline gradient Ca2+-te, mis viib ioonide sisenemiseni rakku, siiski on rakkudele väga tähtis säilitada madal Ca2+ kontsentratsioon korralikuks rakku signaliseerimiseks, seetõttu on raku jaoks vajalik rakendada ioonpumpi Ca+ eemaldamiseks. Plasmamembraani Ca2+-ATPaas ja naatrium-kaltsiumvahetaja on koos peamised rakusisese Ca2+ kontsentratsiooni regulaatorid rakus. Kuna need transpordivad Ca2+ ekstratsellulaarsesse ruumi, on PMCA ka tähtis kaltsiumi kontsentratsiooni reguleerija ekstratsellulaarses ruumis. Ta kuulub P-tüüpi esmase iooni transpordi ATPaaside perre, mis moodustab aspartüülfosfaadi vaheühendit.  Pikemalt artiklis V-tüüpi ATPaasid Need ATPaasid tekitavad ATP hüdrolüüsi korral prootongradiendi. Neid leidub ainult endo- ja eksotsütoosi vesiikulites, nagu ka lüsosüümides, endosoomides, eukarüootide Golgi vesiikulites ja taimede vakuoolides ning pärmseentes. Nad kontrollivad vesiikulite pH taset. Tekkinud prootongradienti kasutatakse teiste molekulide impordiks ja ekspordiks. ATPaasid moodustavad 12–14-alamühikulisi komplekse: V0-kompleks moodustab kanali, V1-kompleks eendub tsütosooli ja katalüseerib ATP hüdrolüüsi ADP-ks ja fosfaadiks. V-tüüpi ATPaas omab struktuurset sarnasust F-tüüpi ATPaasiga. ATP süntaas, mis on F-tüüpi ATPaas, omab nii hüdrolüüsi kui ka ATP sünteesi võimet. Tegemist on membraani läbiva ensüümiga. Oma struktuuri tõttu on ta võimeline kasutama prootonite või Na+ ioonide gradienti, liitmaks ADP-le ühe fosfaatiooni, mille tulemusena tekib ATP. Eukarüootidel on ta levinud mitokondriaalses aeroobses hingamisahelas ja taimedes, prokarüootide puhul on tõestatud nende olemasolu aeroobsetel bakteritel. ATP süntaas koosneb kahest domeenist F1 ja Fo, mõlemal on globulaarne struktuur ja neid ühendab painduv side, mis meenutab vart. Fo alamühik on membraanseoseline ja läbi selle transporditakse prootoneid. Saadud energia tekitab konformatsioonilise muudatuse nendevahelises varres, mille tõttu toimuvad muutused F1 alamühiku aktiivtsenteris. Perifeerne vars koosneb ainult ühest alamühikust ja F1 domeen on heksameerne struktuur, mis koosneb ά ja β alamühikutest. Kõik see kokku moodustab rootorit meenutava kompleksi, mis sarnaneb ratta mehhanismiga. Nagu juba eespool mainitud, on ATP süntaasil F1 domeenil ά ja β alamühikud, millest kumbagi on kolm ning β alamühik omab katalüütilist aktiivsust, mis on võimeline siduma ADP-d ja tegema läbi konformatsioonilise muutuse, mis võimaldab ADP-le siduda ühe fosfaatiooni ja saadakse ATP. Kõik kolm aktiivtsentrit on kogu aeg erinevas olekus, ühes asub ATP, mis on sünteesitud, ühes ADP, millele hakatakse fosfaatiooni lisama ja üks on tühi. Gamma alamühik paikneb ά ja β alamühikute vahel ja teeb iga sünteesitud ATP kohta 120º pöörde. Kuid γ alamühik teeb ka vahel harva tagasipöörde samme, mille hinnaks on ühe ATP hüdrolüüs. Sellest tulenevalt omab ATPsüntaas ka ATPaasidele omast hüdrolüüsi võimet.  Pikemalt artiklis AAA-ATPaasid AAA või AAA+ on lühend ingliskeelsest väljendist Atpases Associated with diverse cellular Activites ehk mitmekülgse raku aktiivsusega seotud ATPaasidest. Nad jagavad ühist konserveerunud moodulit, mis koosneb umbes 240 aminohappejäägist. See on suur, funktsionaalselt mitmekesine valgu perekond, kus AAA-d kuuluvad ringikujuliste P- ling NTPaaside superperekonna juurde, mida väljendab nende aktiivsus läbi energiast sõltuva ümbermodelleerimise või makromolekulide translokatsiooni. AAA-d kasutavad ATP hüdrolüüsi poolt saadud keemilist energiat konformatsioonilisteks muutusteks, mis on transdukteeritud mehaanilisse jõudu, mõjudes molekulaarsele substraadile. AAA-valgud on funktsionaalselt ja organisatsiooniliselt mitmekesised, varieerudes aktiivsuse, stabiilsuse ja mehhanismi poolest. AAA perekonna liikmeid leidub kõikides organismides ja nad on eluliselt tähtsad mitmes rakulises funktsioonis. Nad on seotud selliste funktsioonidega nagu DNA replikatsioon, valgu degradatsioon, membraani ühinemine, mikrotuubulite segmenteerumine, peroksüsoomide biogenees, signaliseeritud transduktsioon ja geeniekspressiooni regulatsioon. AAA-domeen sisaldab kahte alamdomeeni, N-terminaalset alfa/beeta domeeni, mis seob ja hüdrolüüsib nukleotiide (Rossmani volt) ja C-terminaalne alfa-helikaasne domeen. N-terminaalne domeen on 200–250 aminohapet pikk ja sisaldab Walker A ja Walker B motiivi, mis on laialdaselt levinud ka teiste P-ling NTPaaside seas. ATP-sidumiskasseti transporterid (ingl ATP-binding cassette transporters) ehk ABC-transporterid on valgu superperekonna liikmed, mis on üks suurimaid ja vanimaid perekondi, omades esindajaid kõikides säilinud hõimkondades prokarüootidest kuni inimeseni. ABC-transporterid on transmembraansed proteiinid, mis kasutavad ära energiat adenosiintrifosfaadi (ATP) sidumisest ja hüdrolüüsist, et täita kindlaid bioloogilisi protsesse, kaasa arvatud erinevate substraatide translokatsioon üle membraanide ja mitte-transpordi-seoselised protsessid, nagu RNA translatsioon ja DNA parandamine. Need valgud rakendavad ATP energiat sidumaks ja/või hüdrolüüsimaks, mis viivad konformatsioonilise muudatusteni transmembraanses domeenis (ingl Transmembrane domain, TMD ) ja tulemusena transpordivad molekule. TEA entsüklopeedia 3. köide, 2009. Devlin Thomas M. (2011). Textbook of Biochemistry with clinical correlations, p. 491, 7th ed., John Wiley &Sons, Inc. New Jersey Mary Luckey (2014). Membrane Structural Biology. p.134-139,255., 2nd ed.,Cambridge University press.New York Palmgren M.G., Nissen P., (2011). P-Type ATPases.[alaline kõdulink] Annual Review of Biophysics. 40: 243–266 (Vaadatud 08.10.15) Hilden S., Hokin LE. (1975). Active potassium transport coupled to active sodium transport in vesicles reconstituted from purified sodium and potassium ion-activated adenosine triphosphatase from the rectal gland of Squalus acanthias.[alaline kõdulink] The Journal of Biological Chemistry. 250 (16):6296-303.PMID 125752. (Vaadatud 16.10.15) Shin, J. M., Munson, K., Vagin, O., & Sachs, G. (2009). "The gastric HK-ATPase: structure, function, and inhibition". Pflugers Archiv : European Journal of Physiology. 457 (3): 609–622. (Vaadatud 14.10.15) Jensen, T.P., Buckby, L.E., Empson, R.M. (2004). "Expression of plasma membrane Ca2+ ATPase family members and associated synaptic proteins in acute and cultured organotypic hippocampal slices from rat". Developmental Brain Research. 152 (2): 129–136. PMID 15351500. (Vaadatud 09.10.15) Strehler, E.E., Zacharias, D.A. (2001). "Role of alternative splicing in generating isoform diversity among plasma membrane calcium pumps". Physiological Reviews (American Physiological Society). 81 (1): 21–50. PMID 11152753. (Vaadatud 09.10.15) Carafoli, E. (1991). "Calcium pump of the plasma membrane". Physiological Reviews. 71 (1): 129–153. PMID 1986387. (Vaadatud 09.10.15) Beyenbach, K.W., Wieczorek, H. (2006) The V-type H+ ATPase: molecular structure and function, physiological roles and regulation. Journal of Experimental Biology. 209 (Pt 4):577-89. PMID 16449553 (Vaadatud 17.10.15) Christoph von Ballmoos, Alexander Wiedenmann, Peter Dimroth (2009). Essentials for ATP Synthesis by F1F0 ATP Synthases. Annual Review of Biochemistry. 78: 649–672. (Vaadatud 09.10.15) Tsuprun, V.L., Orlova, E.V., Mesyanzhinova, I. (1989). Structure of the ATP-synthase studied by electron microscopy and image processing. FEBS Lett. 244 (2):279-82. (Vaadatud 02.10.15) Alexander Krah (2015). Linking structural features from mitochondrial and bacterial F-type ATP synthases to their distinct mechanisms of ATPase inhibition. Progress in Biophysics and Molecular Biology. 119 (1): 94–102. (Vaadatud 05.10.15) Yasuda, R., Noji, H., Kinosita, K. Jr., Yoshida, M. (1998). F1-ATPase Is a Highly Efficient Molecular Motor that Rotates with Discrete 120º Steps. Cell. 93:1117–1124. (Vaadatud 11.10.15) Koonin, E.V., Aravind, L., Leipe, D.D., Iyer, L.M. (2004). "Evolutionary history and higher order classification of AAA ATPases". Journal of Structural Biology. 146 (1–2): 11–31. doi:10.1016/j.jsb.2003.10.010. PMID 15037234.(Vaadatud 08.10.15) Lupas, A.N., Frickey, T. (2004). "Phylogenetic analysis of AAA proteins". Journal of Structural Biology. 146 (1–2): 2–10.PMID 15037233. (Vaadatud 08.10.15) Erzberger, J.P., Berger, J.M. (2006). "Evolutionary relationships and structural mechanisms of AAA proteins".[alaline kõdulink] Annual Review of Biophysics Biomolecular Structure. 35: 93–114.PMID 16689629. (Vaadatud 08.10.15) Hanson, P.I., Whiteheart, S.W. (2005). "AAA proteins: have engine, will work". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 6 (7): 519–29. PMID 16072036. (Vaadatud 14.10.15) Snider, J., Thibault, G., Houry, W.A. (2008). "The AAA superfamily of functionally diverse proteins". Genome Biology. 9 (4): 216. PMID 18466635. (Vaadatud 08.10.15) Jones, P.M., George, A.M. (2004). "The ABC transporter structure and mechanism: perspectives on recent research". Cell Molecular Life Science. 61 (6): 682–99. PMID 15052411. (Vaadatud 08.10.15) Davidson, A.L., Dassa, E., Orelle, C., Chen J. (2008). "Structure, function, and evolution of bacterial ATP-binding cassette systems". Microbiology and Molecular Biology Reviews. 72 (2): 317–64, table of contents.PMID 18535149. PMCID:2415747. (Vaadatud 08.10.15) Hollenstein, K., Dawson, R.J., Locher, K.P. (2007). "Structure and mechanism of ABC transporter proteins". Current Opinion in Structural Biology. 17 (4): 412–8.PMID 17723295. (Vaadatud 08.10.15)