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 almacenemento 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. 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 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" 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 fermentadoras 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 mambrana 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. A F-ATP sintase mostra unha gran semellanza tanto funcional coma mecánica coa V-ATPase dos vacúolos. 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 hexámero α3β3 da partícula F1 mostra tamén unha similitude estrutural significativa con ADN helicases hexaméricas; e ambas as dúas forman un anel con simetría rotacional de 3 pregamentos e un poro central. Ambas as dúas teñen ademais funcións que dependen da rotación relativa de macromoléculas dentro do poro; as ADN helicases usan a forma helicoidal do ADN para impulsar o seu movemento ao longo da molécula de ADN e para detectar o superenrolamento, mentres que o hexámero α3β3 usa os cambios conformacionais debidos á rotación da subunidade γ para impulsar unha reacción encimática.
O motor de H+ da partículas FO mostra unha gran similitude funcional cos motores de H+ presentes nos motores flaxelares. Ambos os dous presentan un anel de moitas pequenas proteínas en hélice alfa que rotan en relación a proteínas estacionarias próximas usando un gradiente de H+ como fonte enerxética. De todos modos, isto non é unha semellanza moi forte, porque a estrutura de conxunto dos motores flaxelares é moito máis complexa ca o da partícula FO, e o anel de proteínas rotatorias é moito máis grande (son arredor de 30 comparadas coas 10, 11, ou 14 que se coñecen no complexo FO).
A teoría da evolución modular para explicar a orixe da ATP sintase suxire que dúas subunidades con funcións independentes, unha ADN helicase con actividade de ATPase e un motor de H+, se asociaron, e a rotación do motor impulsou a actividade de ATPase da helicase, pero en sentido contrario, sintetizando ATP. Este sistema despois evolucionaría facéndose cada vez máis eficiente, e finalmente daría lugar aos complexos de ATP sintases que vemos hoxe. De modo alternativo, o complexo ADN helicase/motor de H+ puido ter unha actividade de bomba de H+, e a actividade de ATPase da helicase faría funcionar o motor de H+ en sentido contrario. Isto puido evolucionar máis tarde a levar a cabo a reacción contraria e funcionar como unha ATP sintase. ATP sintase en diferentes organismos
ATP sintase humana
A continuación, unha lista de xenes humanos que codifican os compoñentes das ATP sintases: ATP5A1, ATP5AL1
ATP5B, ATP5BL1
ATP5C2, ATP5D, ATP5E, ATP5F1, ATP5G1, ATP5G2, ATP5G3, ATP5H, ATP5HP1, ATP5I, ATP5J, ATP5J2, ATP5L, ATP5L2, ATP5O, ATP5S
ATP6, ATP6AP1, ATP6AP2
ATPSBL1, ATPSBL2
MT-ATP6, MT-ATP8
ATP sintase de plantas
Nas plantas a ATP sintase está presente nas mitocondrias pero tamén nos cloroplastos (CF1FO-ATP sintase). Nos cloroplastos o encima está integrado na membrana dos tilacoides; a porción CF1 asómase ao estroma, onde ten lugar a síntese de ATP. A estrutura xeral e o mecanismo catalítico da ATP sintase nos cloroplastos son case os mesmos que na mitoocndria. Porén, nos cloroplastos o gradiente de protóns é xerado polo funcionamento da fase luminosa da fotosíntese, aínda que é similar: os electróns que a luz arranca da clorofila circulan por unha cadea de transportadores e a auga funciona como doante de electróns para que a clorofila recupere os electróns que perdeu; conforme circulan os electróns hai un bombeo de protóns ao interior do tilacoide, que crea o gradiente.
ATP sintase bovina
A ATP sintase mellor caracterizada bioquímica e estruturalmente é a extraída das mitacondrias do corazón de vaca (Bos taurus). Utilizouse moito nos estudos porque o miocardio do corazón deste animal ten unha grande concentración de mitocondrias.
ATP sintase de E. coli
A ATP sintase da bacteria E. coli é a máis simple coñecida, con 8 tipos diferentes de subunidades. Nas bacterias o encima está na membrana plasmática e a porción F1 asoma ao interior da célula.
ATP sintase en lévedos
A ATP sintase de lévedo é unha das mellor estudadas dos eucariotas, e nela foron identificadas cinco subunidades na porción F1, oito na FO, e sete proteínas asociadas. A maioría destas proteínas son homólogas ás doutros eucariotas.