ATP synthase
Cơ chế

Trong các thập niên 1960 và 1970, Paul Delos Boyer phát triển thuyết về cơ chế thay đổi liên kết, hay là "lật qua lật lại", cơ chế này đã định đề sự sinh tổng hợp ATP đi đôi với sự thay đổi về hình thể của ATP synthase bằng cách xoay vòng tiểu đơn vị gamma. Nhóm nghiên cứu của John Ernest Walker, tại Phòng thí nghiện Sinh học phân tử MRC của Cambridge, đã tinh thể hóa đơn vị xúc tác F1 của ATP synthase. Cấu trúc này, tại thời điểm đó là cấu trúc protein bất đối xứng lớn nhất từng được biết, cho thấy rằng mô hình xúc tác xoay tròn của Boyer về tính chất là đúng. Nhờ việc làm sáng tỏ cơ chế này, Boyer và Walker cùng nhận được một nửa Giải Nobel Hóa học năm 1997. Jens Christian Skou nhận được nửa còn lại của giải năm đó nhờ vào việc khám phá ra Na⁺/K⁺-ATPase, một enzyme vận chuyển ion.
Mỗi tiểu đơn vị β của ATP synthase đều có khả năng bắt các phân tử ADP và Pi để xúc tác phản ứng tổng hợp chúng thành ATP. Tuy nhiên vì β nằm trên phần F1 - nơi cách màng ti thể 9-10nm nên sự liên hệ giữa việc sinh tổng hợp ATP với dòng chảy proton là gián tiếp. Cơ chế hoạt động của ATP synthase được chấp nhận rộng rãi nhất hiện nay là cơ chế bám-thay đổi (binding-change mechanism). Theo đó, dòng proton lưu chuyển qua FO sẽ làm xoay các tiểu đơn vị c, kéo theo đó là sự xoay tròn của các tiểu đơn vị γ và ε gắn vào chúng. Sự xoay tròn này ảnh hưởng đến cấu hình của khu vực bám lấy nucleotide của tiểu đơn vị β, cụ thể qua sự xoay đó β sẽ trải qua ba trạng thái.
Trạng thái mở (O - màu đỏ trong hình động), lúc này β bắt ATP rất kém và bắt ADP và Pi cũng rất yếu.
Khi ADP và phosphate bắt đầu bám vào tiểu đơn vị β, dòng chảy proton sẽ làm tiểu đơn vị γ xoay 120 độ, khiến β trải qua một sự thay đổi về cấu hình và chuyển sang trạng thái lỏng lẻo (L - màu cam) với việc liên kết chặt chẽ hơn với ADP và Pi vừa mới bám vào.
Tiếp đó, β chuyển sang trạng thái chặt (T - màu hồng), chúng bám ADP và Pi chặt tới mức hai chất này kết hợp thành ATP, trong trạng thái chặt ATP vừa mới sản sinh cũng vẫn bị β bám dính với ái lực rất cao. Phản ứng tổng hợp này không cần năng lượng bên ngoài bổ sung. Cuối cùng, một lượt quay của tiểu đơn vị γ đưa β trở về trạng thái mở, giải phóng ATP và đón nhận ADP cùng phosphate mới.
Như vậy cứ mỗi lần γ xoay 120 độ thì các β đều thay đổi trạng thái và cứ một vòng quay 360 độ của γ sẽ tổng hợp được 3 phân tử ATP. ATP và ADP cũng có thể bám vào các khu vực có chức năng điều hòa và thay đổi hoạt tính của ATP synthase tại tiểu đơn vị α, cụ thể chúng sẽ điều chỉnh tốc độ sinh tổng hợp ATP tùy theo nồng độ ATP, ADP trong chất nền ti thể; mặc dù việc này không có ảnh hưởng ở mức độ trực tiếp đến bản thân quá trình sinh tổng hợp ATP.
Bề mặt tiếp xúc giữa tiểu đơn vị a và vòng tiểu đơn vị c tạo thành hai bán kênh nơi proton đi xuyên qua ATP synthase. Proton đi vào ATP synthase ở bán kênh thứ nhất tới một môi trường ngoại chất và bám lấy một mạch nhánh cacbon của amino acid Asp61 trên tiểu đơn vị c. Việc này khiến cấu hình của c thay đổi, vì vậy vòng c sẽ thực hiện một chuyển động xoay tròn trên mặt phẳng màng ti thể. Sự xoay này làm tiểu đơn vị c kế sau nhích lên vị trí kênh proton của c cũ, và một proton khác lại bám vào c mới này, tiếp tục kích hoạt chuyển động xoay tròn của vòng c. Sự xoay liên tục của vòng c như thế sẽ khiến tiểu đơn vị c đầu tiên quay tới bán kênh thứ hai, nơi đây proton được giải phóng và theo bán kênh đi vào môi trường bào tan, kết thúc quá trình di chuyển của proton xuyên qua ATP synthase. Như đã nói, mỗi loại ATP synthase có số tiểu đơn vị c khác nhau, và con số này quyết định "tỉ số truyền động bánh răng" của ATP synthase - tức số proton cần thiết để ATP synthase sinh tổng hợp một phân tử ATP. Ở đây, trong trường hợp của vi khuẩn E.Coli với vòng c được tạo thành bởi 10 tiểu đơn vị, cứ 10 proton sẽ khiến c xoay một vòng và tạo ra 3 phân tử ATP - điều này phù hợp với các kết quả thí nghiệm về dòng proton chạy qua ATP synthase. Tương tự ở lục lạp một vòng c có 14 tiểu đơn vị và vì vậy cần 14 proton để sản sinh 3 phân tử ATP. Lý do tại sao số lượng proton cần cho 3 ATP lại khác nhau như vậy vẫn chưa được rõ ràng.
Ở đây, không phải tất cả số proton sinh ra trong chuỗi chuyển điện tử đều được dùng để làm năng lượng cho ATP synthase hoạt động. Một phần tư trong chúng đường dùng để kích hoạt hệ kênh ATP/ADP giúp bơm ATP ra ngoài tế bào chất và bơm ADP vào trong chất nền ti thể.