ATP sintase

miniatura|300 px|dereita|ATP sintase.

A **ATP sintase**, tamén chamada **ATP sintetase**, (ou ás veces **ATPase F**, **F-ATPase** ou partícula F) é un importante encima (número EC 3.6.3.14), que xera a maior parte da enerxía da célula sintetizando adenosín trifosfato (ATP) a partir de ADP e fosfato inorgánico (Pi). O ATP é a molécula principal que a célula usa para o almacenamento e cesión de enerxía.

A secuencia global de reaccións é: ATP sintase + ADP + Pi → ATP sintase + ATP

A enerxía que se almacena no ATP sintetizado por este encima procede dun fluxo de protóns, que se moven a favor dun gradiente electroquímico que se crea e pasan pola ATP sintase, entrando na matriz das mitocondrias, ou entrando no citoplasma bacteriano ou saíndo do tilacoide ao estroma dos cloroplastos.

As ATP sintases que producen ATP atópanse, pois, nos seguintes lugares:
* Na membrana mitocondrial interna de todos os eucariotas, coa súa porción F1 asomando á matriz mitocondrial.
* Na membrana plasmática bacteriana, coa súa porción F1 asomando ao citosol.
* Na membrana dos tilcoides dos cloroplastos, coa súa porción F1 asomando ao estroma do cloroplasto.

## Estrutura da ATP sintase mitocondrial 
Está situada na membrana mitocondrial interna e consta de dúas rexións ou porcións:
* A porción FO, que está dentro da membrana mitocondrial interna.
* A porción F1, que está encima da porción anterior e sobresae da membrana cara ao interior da matriz. miniatura|300px|dereita|Estrutura da mitocondria: (1) membrana interna, (2) membrana externa, (3) cristas, (4) matriz.

A nomenclatura do encima tivo unha longa historia. A fracción F1 recibiu ese nome do termo "Fracción 1". O nome da fracción FO (o subíndice é a letra "o" e non o número "cero") deriva de que era a fracción que se unía á oligomicina, que é un antibiótico que inhibe a fracción FO.

Estas rexións funcionais constan de diferentes subunidades proteicas, indicadas nas táboas de máis abaixo.

### Estrutura da porción F1 da ATP sintase 
A partícula F1 é bastante grande e pode verse con microscopio electrónico de transmisión con tinguidura negativa. Son partículas de 9&nbsp;nm de diámetro que salpican a membrana mitocondrial interna. Orixinalmente denominábanse partículas elementais e pensábase que contiñan todo o aparato respiratorio mitocondrial, pero, despois dunha longa serie de experimentos, Ephraim Racker e os seus colegas (que foi quen illou por primeira vez a partícula F1 en 1961) demostraron que esta partícula estaba relacionada coa actividade de ATPase das mitocondrias cos procesos respiratorios desacoplados e coa actividade de ATPase nas partículas submitocondriais creadas nos experimentos expoñendo as mitocondrias a ultrasóns. Esta actividade de ATPase (hidrolizar ATP) foi despois asociada coa síntese de ATP nunha longa serie de experimentos.

### Estrutura da porción FO da ATP sintase 
A porción FO da ATP sintase é un poro de protóns inserido na membrana mitocondrial interna. Consta de tres subunidades principais A, B e C, e (en humanos) seis subunidades adicionais, d, e, f, g, F6 e 8 (ou A6L).

## Modelo de funcionamento 
Nas décadas de 1960 e 1970, Paul Boyer postulou o mecanismo do cambio de unión (*binding change*) ou mecanismo flip-flop, que implica que a síntese do ATP está combinada cun cambio conformacional na ATP sintetase xerado por unha rotación da subunidade gamma. O grupo de traballo de John E. Walker en Cambridge, conseguiu cristalizar o dominio catalítico F1 da ATP sintase. A estrutura, que naquel tempo era a estrutura proteica asimétrica máis grande coñecida, indicaba que o modelo de catálise rotatoria de Boyer era, en esencia, correcto. Por estes traballos Boyer e Walker recibiron o premio Nobel de Química de 1997, que compartiron con Jens Christian Skou "polo primeiro descubrimento dun encima transportador de ións, a Na+,K+-ATPase"
miniatura|220px|dereita|Mecanismo de síntese da ATP sintase. O ATP móstrase en vermello, o ADP e o fosfato en rosa, e a subunidade rotatoria γ en negro.

A estrutura cristalina da F1 presentaba subunidades proteicas alternantes alfa e beta (3 de cada), dispostas como cuarteiróns de laranxa arredor dunha subunidade gamma asimétrica. De acordo co modelo actual da síntese do ATP coñecido como o modelo catalítico alternante, a forza protón-motriz xerada pola cadea de transporte electrónico, causa o paso de protóns (H+) a través da membrana pola porción FO da ATP sintase. A porción da FO (o anel das subunidades c) rota a medida que os protóns pasan a través da membrana. O anel c está estreitamente unido ao talo central asimétrico (que consta principalmente da subunidade gamma), o cal rota dentro da subunidade alfa3beta3 de F1 causando que os tres sitios catalíticos aos que se unen os nucleótidos pasen por unha serie de cambios conformacionais que levan á síntese de ATP. As subunidades maiores de F1 non poden rotar xunto co rotor do talo central porque llelo impide unha subunidade periférica longa con forma de talo que une a subunidade alfa3beta3 á porción non rotatoria de FO. A estrutura da ATP sintase intacta coñécese actualmente a baixa resolución por estudos de electrocriomicroscopia (*cryo-EM*) de todo o complexo. O modelo *cryo-EM* da ATP sintase suxire que a subunidade periférica con forma de talo é unha estrutura flexible que se enrosca arredor do complexo, xa que une F1 e FO. Nas condicións adecuadas, a reacción encimática pode tamén levarse a cabo en sentido contrario, causando a hidrólise do ATP (actividade ATPásica) bombeando protóns a través da membrana.

O mecanismo de cambio de unión (*binding change*) implica que os sitios activos da subunidade β pasen por un ciclo no que poden estar en tres estados. No estado "aberto", o ADP e o fosfato entran no sitio activo, o que no diagrama da dereita se mostra en vermello. A proteína despois péchase arredor das moléculas e úneas debilmente, o que se chama o estado "solto" ou "frouxo" (*loose*), que se mostra no diagrama en laranxa. O encima despois sofre outro cambio de forma e forza a estas moléculas a unirse, e o sitio activo dise que está no estado "apertado" ou "firme", que se mostra no diagrama en rosa, unindo a molécula de ATP acabada de sintetizar cunha afinidade moi alta. Finalmente, o sitio activo cicla de novo ao estado aberto, liberando o ATP e unindo máis ADP e fosfato, listos para iniciar un novo ciclo de produción de ATP.

## Función fisiolóxica 
A función principal da ATP sintetase é sintetizar o ATP necesario para as actividades da célula por medio da fosforilación oxidativa que ten lugar nas mitocondrias e nas bacterias. Nos cloroplastos sintetiza ATP que será usado nas reaccións da fase escura da fotosíntese (ciclo de Calvin).

Como pasa con moitos outros encimas, a actividade da F1FO ATP sintase é reversible. Nalgunhas bacterias a produción de cantidades o suficientemente grandes de ATP pode crear un gradiente transmembrana de protóns, que usan as bacterias fermentativas que non teñen cadea de transporte electrónico, e hidrolizan o ATP para crear un gradiente de protóns, que se utiliza para mover flaxelos e transportar nutrientes ao interior da célula.

Nas bacterias que poden respirar, en condicións fisiolóxicas a ATP sintase, en xeral, funciona na dirección oposta ou normal, creando ATP facendo uso da forza protón-motriz xerada pola cadea de transporte electrónico como fonte de enerxía. O proceso que forma ATP desta maneira denomínase fosforilación oxidativa. O mesmo proceso ten lugar nas mitocondrias dos eucariotas, nos que a ATP sintase está localizada na membrana mitocondrial interna, coa porción F1 sintetizadora do ATP asomando á matriz.

## Evolución da ATP sintase 
A evolución da ATP sintase pénsase que é un exemplo de evolución modular, na que dúas subunidades separadas e coas súas propias funcións acaban asociándose e adquirindo unha nova funcionalidade. Esta asociación debeu ocorrer moi cedo na evolución da vida, como pon en evidencia o feito de que teñan esencialmente a mesma estrutura e exista o mesmo proceso de síntese de ATP nas ATP sintases de todos os reinos de seres vivos. Porén, mentres que a F-ATP sintase xera ATP utilizando un gradiente de protóns, a V-ATPase fai o contrario, é dicir, xera un gradiente de protóns a expensas da hidrólise do ATP, xerando nos vacúolos pH tan baixos como de ata 1. 
A partícula F1 tamén mostra unha similitude significativa coas ADN helicases hexaméricas e a partícula FO mostra semellanzas cos complexos motores flaxelares que funcionan aproveitando a forza protón-motriz do H+.

O motor de H+ da partículas FO mostra unha gran similitude funcional cos motores de H+ presentes nos motores flaxelares. A maioría destas proteínas son homólogas ás doutros eucariotas.

## Notas 
## Véxase tamén 
### Outros artigos 
* subunidade alfa/beta da ATP sintase
* subunidade delta da ATP sintase
* subunidade gamma da ATP sintase
* subunidade C da ATP sintase
* proteína ATP10 requirida para a ensamblaxe da FO.
* V-ATPase
* Fosforilación oxidativa
* Fotofosforilación

### Ligazóns externas 
* "ATP synthase - a splendid molecular machine"
* Boas ilustracións ATP synthase lecture  de Antony Crofts da University of Illinois en Urbana-Champaign.
* Proton and Sodium translocating F-type, V-type and A-type ATPases in OPM database
* The Nobel Prize in Chemistry 1997  de Paul D. Boyer e John E. Walker o mecanismo encimático de síntese do ATP; e de Jens C. Skou, o descubrimento dun encima transportados de ións, a Na+, K+-ATPase.
* Harvard Multimedia Production Site - Videos  - animación da síntese de ATP.