ATP-szintáz

AZ ATP-szintáz az adenozin-trifoszfát (ATP) adenozin-difoszfátból és szervetlen foszfátból (P_i) való előállítását katalizáló molekula. A katalizált reakció:

$\mathrm{A}\mathrm{D}\mathrm{P}+\mathrm{P}{\phantom{A}}_{\mathrm{i}}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}^{+}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{A}\mathrm{T}\mathrm{P}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}^{+}$

Az ATP-szintáz a sejtmembránon keresztül nyílást alkot, ahol a protonok áthaladhatnak a magas koncentrációjú térrészből az alacsony koncentrációjú felé, energiát adva az ATP-szintézishez. Ezen elektrokémiai gradienst az elektrontranszportlánc adja, és lehetővé teszi a sejtek energiatárolását ATP-ben. Prokariótákban az ATP-szintáz a sejtmembránon, eukariótákban a belső mitokondriális membránon terjed át. A fotoszintézisre képes élőlények tilakoid membránjában (mely növények esetén a kloroplasztiszban, cianobaktériumokban a citoplazmában van) is van ATP-szintáz.

Az eukarióta ATP-szintázok F-ATPázok, melyek az ATPázhoz képest „fordítva” működnek. Ez 2 fő egységből áll (F_O és F₁), az ATP-szintézist lehetővé tevő forgó motormechanizmussal.

Nevezéktan

Az F₁ rövidítés a „Fraction 1” kifejezésből, az F_O egy természetes eredetű antibiotikumot, az oligomicint kötő képességéből származik, mely az F_O egységet gátolja. Ezek különböző fehérjealegységekből állnak. Az enzim az aerob légzéssel való ATP-előállításban vesz részt.

Szerkezet és működés

Marha mitokondriális ATP-szintáza. Az F_O rózsaszín, az F₁ zöld, a tengely narancs, az álló rész kék színnel jelölve.

Az E. coli F_OF₁-ATPázának (ATP-szintáz) szerkezete. Az alegységek megfelelően jelölve.

Az ATP-szintáz forgószerkezete

A tilakoid és a belső mitokondriális membránban lévő ATP-szintáz 2 részből (F_O és F₁) áll. Az F_O forgatja F₁-et, és c-gyűrűből és a, két b és F6 egységből áll. Az F₁ α, β, γ és δ részekből áll. Vízoldékony része van, mely képes az ATP hidrolízisére. Az F_O főképp hidrofób részekből áll. Az F_O F₁ a protonok membránon való áthaladására ad lehetőséget.

F₁

Az F₁ rész hidrofil és az ATP-hidrolízisért felel. A mitokondriális mátrixba lóg. Az α és β részek 6 kötőhelyű hexamert alkotnak. Ebből 3 inaktív, és ADP-t köt.

3 más egység katalizálja az ATP-szintézist. A többi F₁-egység, a γ, a δ és az ε alkotják a tengelyt. A γ a β konformációs változásait (zárt, félnyílt, nyílt állapotok közt) teszi lehetővé, mely az ATP-kötést és a szintézise utáni -felszabadítást teszi lehetővé. Az F₁ nagy, és negatív színezéssel látható transzmissziós elektronmikroszkópban. Ezek 9 nm-es részecskék a belső mitokondriális membránban.

F₁-alegységek

Alegység	Humán gén	Megjegyzés
α	ATP5A1, ATPAF2
β	ATP5B, ATPAF1
γ	ATP5C1
δ	ATP5D	A mitokondriális δ a bakteriális/kloroplasztisz-ε.
ε	ATP5E	Csak mitokondriumokban van jelen.
OSCP	ATP5O	Baktériumokban és kloroplasztiszban δ.

F_O

Az F_O F6 része az ATP-szintáz perifériás tönkrégiójából.

Az F_O vízben oldhatatlan fehérje 8 alegységgel és transzmembrán gyűrűvel. A gyűrű tetramer, hélix-gyűrű-hélix fehérje, melynek konformációja protonáláskor és deprotonáláskor változik, a környező alegységek forgását okozva, ami az F_O forgását okozza, ami az F₁ konformációját is változtatja, így az α és β alegységek állapota váltakozik. Az F_O rész protonpórus a mitokondriális membránban. 3 fő alegységből (a, b és c) áll. Hat c egység alkotja a gyűrűt, a b alegység az F₁ OSCP-hez csatlakozó tönköt alkot, megakadályozva az αβ hexamer forgását. Az a alegység a b-t a c gyűrűhöz csatlakoztatja. A humán ATP-szintáz 6 további részt tartalmaz (d, e, f, g, F6 és 8 (vagy A6L)). Ezen enzimrész a mitokondrium belső membránjában van, és a protontranszlokációt az ATP-szintézist okozó forgáshoz kapcsolja.

Az eukariótákban a mitokondriális F_O membránhajlító dimereket alkot. Ezek a cristák végén hosszú sorokká állnak, feltehetően a cristaképzés első lépéseként. Az élesztő F_O részének modellje krio-EM-mel meghatározható 3,6 Å felbontással.

F_O-alegységek

Alegység	Humán gén
a	MT-ATP6
b	ATP5F1
c	ATP5G1, ATP5G2, ATP5G3

Kötésmodell

Az ATP-szintáz mechanizmusa. Az ADP és a P_i (rózsaszín) ATP-vé (piros) egyesül, a forgó γ egység (fekete) konformációváltozást okoz.

Az ATP-szintáz kemiozmotikus protongradiens esetén, mely oxidatív foszforilációval teszi lehetővé az ATP-szintézist.

Az 1960-as–1970-es években Paul Boyer, a UCLA professzora kifejlesztette a kötésváltás- (flip-flop) mechanizmuselméletet, mely szerint az ATP-szintézis az ATP-szintáz γ részének forgása okozta konformációváltozása miatt történik. John E. Walker, a cambridge-i MRC Laboratory of Molecular Biology akkori dolgozója az F₁ domént kristályosította. Ez, az akkori legnagyobb ismert aszimmetrikus fehérje jelezte, hogy Boyer forgókatalízis-modellje lényegében helyes volt. Ezért Boyer és Walker megosztva kapták az 1997-es kémiai Nobel-díjat.

Az F₁ kristályszerkezete 3 váltakozó α és β egységet mutatott, narancsszeletenként elrendezve forgó aszimmetrikus γ alegység körül. Az ATP-szintézis váltakozó katalitikus modellje szerint az elektrontranszportlánc által szállított protonok okozta transzmembrán potenciál a protonokat a membránközi térből a membránon át helyezi az ATP-szintáz F_O része révén. Ennek egy része (a c-egységek gyűrűje) forog a protonok áthaladásakor. A c-gyűrű szorosan kapcsolódik a nagy részt a γ alegység által alkotott aszimmetrikus központi tönkhöz, mely forgást okoz az F₁ α₃β₃ részén, a 3 katalitikus nukleotidkötő hely ATP-szintézist okozó konformációváltozásait okozva. A fő F₁-alegység központi tönkkel való együtt forgását egy perifériás tönk akadályozza, mely az α₃β₃ részt az F_O nem forgó részéhez kapcsolja. Az érintetlen ATP-szintáz szerkezete jelenleg kis felbontásban ismert elektron-kriomikroszkópia révén. A krio-EM-modell alapján a perifériás tönk rugalmas szerkezet, mely a komplexen át halad, ahogy az F₁-et F_O-hoz köti. Megfelelő körülmények közt az enzimreakció megfordítható, ahol az ATP-hidrolízis adja a protonpumpa-funkciót a membránon át.

A kötésváltás-mechanizmus a β egység aktív helyének 3 állapot közti váltakozását tartalmazza. „Laza” állapotban ADP és foszfát lépnek be az aktív helybe. Az enzim alakja megváltozik, ezeket összekapcsolja, az aktív hely a így létrejött „szoros” állapotban az új ATP-t nagyon nagy affinitással köti. Végül az aktív hely visszaalakul nyitott állapotba, kiengedve az ATP-t, és további ADP-t és foszfátot kötve, készen a következő ATP-termelési állapotra.

Fiziológiai szerep

Más enzimekhez hasonlóan az ATP-szintáz aktivitása is megfordítható. Elegendően sok ATP transzmembrán protongradienst okoz, ezt használják az elektrontranszportlánc nélküli baktériumok, melyek hidrolizálják az ATP-t a protongradienshez, melyet ostoraik működtetésére és a tápanyagok sejtbe juttatására használnak.

A lélegző baktériumok esetén az ATP-szintáz általában fordítva működik, létrehozva az ATP-t energiaforrásként az elektrontranszportlánc által létrehozott protongradiens révén. E folyamaz az oxidatív foszforiláció. E folyamat megy végbe a mitokondriumokban is, ahol az ATP-szintáz a belső mitokondriális membránban van, az F₁ a mitokondriális mátrixba nyúlik. A protonok mátrixba kerülésével az ATP-szintáz ADP-t alakít ATP-vé.

Fejlődés

Az ATP-szintáz evolúciója feltehetően moduláris volt, ahol 2 funkcionálisan független egység asszociálódott és új funkciót szerzett. Ez korán történt az evolúcióban, mivel gyakorlatilag egyazon szerkezet és aktivitás van jelen az élet minden országában. Az F-ATP-szintáz nagy funkciós és mechanikai hasonlóságot mutat a V-ATPázhoz. Azonban míg az F-ATP-szintáz protongradienst használ ATP-szintézishez, a V-ATPáz ATP-t használ fel a protongradienshez, akár 1-es pH-t is előállítva.

Az F₁ hasonlít a hexamer DNS-helikázokhoz (különösen a ρ-faktorhoz), kapcsolatban áll a protonok működtette T3SS komplexszel, és hasonlít az ostormotorkomplexekre. Az α₃β₃ hexamer szerkezete nagymértékben hasonlít a hexamer DNS-helikázokra a 3 fogású szimmetriájú gyűrű és a központi pórus révén. Szerepük a makromolekula forgásától függ, a DNS-helikázok a hélix alakú DNS-t használják a DNS-en való mozgáshoz és a szupertekeredés észleléséhez, míg az α₃β₃ hexamer a γ egység forgása okozta konformációváltozásokat enzimatikus reakcióhoz használja.

A Sablon:Chem-motor hasonlít az ostorokat működtető Sablon:Chem-motorokhoz. Mindkettő sok kis α-hélix fehérjéből álló gyűrűt tartalmaz, és a közeli álló fehérjékhez képest forognak protongradienst használva energiaforrásként. Ez azonban megtévesztő, mivel az ostormotorok összetettebbek az F_O-nál, és a 30 fehérjés gyűrű nagyobb a F_O-ban található 10, 11 vagy 14 helikális fehérjénél. 2016-os adatok szerint azonban a gyűrű és a tönk hasonlítanak az F₁-hoz.

Fájl:ATP synthesis - ATP synthase rotation.ogv A modulárisevolúció-elmélet szerint 2 független funkciójú alegység, egy ATPázként működő DNS-helikáz és egy protonmotor össze tudtak kapcsolódni, és a motor forgása az ATPázaktivitást fordította meg. Ez később egyre hatékonyabbá vált, és a mai összetett ATP-szintázokká alakult. Egy másik lehetőség, hogy a DNS-helikáz/protonmotor komplex protonpumpa volt, ahol az ATPázaktivitás a protonmotort fordította meg. Ez a fordított reakciót adó fehérjévé fejlődött, és ATP-szintázzá vált.

Inhibitorok

Számos természetes és szintetikus ATP-szintáz-inhibitor ismert. Ezek használhatók az ATP-szintáz szerkezetének és mechanizmusának vizsgálatára. Egyesek terápiás céllal is használhatók. Több ATP-szintáz-inhibitor-osztály van, például peptidinhibitorok, polifenolok, poliketidek, ónorganikus vegyületek, polién-α-piron-származékok, kationos inhibitorok, szubsztrátanalógok, aminosav-módosítók stb. Két gyakran használt ATP-szintáz-inhibitor az oligomicin és az DCCD.

Különböző élőlényekben

Baktériumokban

Az E. coli ATP-szintáza a legegyszerűbb ismert ATP-szintáz, 8 különböző alegységtípussal.

A bakteriális F-ATPázok adott esetben fordítva működhetnek, ATPázzá válva. Egyes baktériumoknak nincs F-ATPázuk, helyette két irányban használnak A/V-típusú ATPázt.

Élesztőben

Az élesztőé az egyik legjobban tanulmányozott eukarióta ATP-szintáz, benne 5 F₁, 8 F_O egységet és 7 asszociált fehérjét azonosítottak. Ezek legtöbbjének van homológja más eukariótákban.

Növényekben

A növényekben az ATP-szintáz jelen van a kloroplasztiszban (CF₁F_O-ATP-szintáz). Ez a tilakoid membránba van integrálva, a CF₁ a stromába nyúlik, ahol a fotoszintézis sötét része (Calvin-ciklus) és az ATP-szintézis történik. A kloroplasztisz-ATP-szintáz szerkezete és katalitikus mechanizmusa hasonlít a bakteriálisra, azonban a kloroplasztiszban az elektrokémiai potenciált nem az elektrontranszportlánc adja, hanem elsődleges fotoszintetikus fehérjék. A szintáz γ-egysége 40 aa részt tartalmaz a sötétben való felesleges aktivitás gátlására.

Emlősökben

A marhaszív-mitokondriumok ATP-szintáza, a humán ATP-szintáz közeli homológja az egyik legjobban jellemzett ATP-szintáz. A szív a szívizomban lévő sok mitokondrium miatt használatos.

A humán ATP-szintáz-részeket kódoló gének:

• ATP5A1
• ATP5B
• ATP5C1, ATP5D, ATP5E, ATP5F1, ATP5G1, ATP5G2, ATP5G3, ATP5H, ATP5I, ATP5J, ATP5J2, ATP5L, ATP5O
• MT-ATP6, MT-ATP8

Más eukariótákban

Egyes divergens csoportokba tartozó eukariótákban speciális ATP-szintázok találhatók. Az Euglenozoa ATP-szintáza dimert alkot bumeráng alakú F₁-gyel más mitokondriális ATP-szintázokhoz hasonlóan, de az F_O sok egyedi egységet tartalmaz. Kardiolipint használ. A gátló IF₁ is másképp kötődik – a Trypanosomatida csoporthoz hasonlóan.

Archeákban

Archeákban jellemzően nincs F-ATPáz. Ehelyett A-ATPáz/szintázzal, a V-ATPázhoz hasonló, de főképp ATP-szintázként működő forgó szerkezettel állítanak elő ATP-t. A bakteriális F-ATPázhoz hasonlóan feltehetően ATPázként is működik.

LUCA-ig

Az F-ATPáz-génkapcsolat és -sorrend állandó a prokariótákban, tehát az utolsó közös ős, LUCA előtt is létezett a rendszer.

Források

• Nick Lane: The Vital Question: Energy, Evolution, and the Origins of Complex Life, Ww Norton, 2015-07-20, Sablon:ISBN (Link points to Figure 10 showing model of ATP synthase)

További információk

• Boris A. Feniouk: "ATP synthase — a splendid molecular machine"
• Well illustrated ATP synthase lecture Sablon:Wayback by Antony Crofts of the University of Illinois at Urbana–Champaign.
• Proton and Sodium translocating F-type, V-type and A-type ATPases in OPM database
• The Nobel Prize in Chemistry 1997 to Paul D. Boyer and John E. Walker for the enzymatic mechanism of synthesis of ATP; and to Jens C. Skou, for discovery of an ion-transporting enzyme, Sablon:Chem, Sablon:Chem-ATPase.
• Harvard Multimedia Production Site — Videos – ATP synthesis animation
• David Goodsell: "ATP Synthase- Molecule of the Month" Sablon:Webarchive