| ATP sintasa | |
|---|---|
| Identificadores | |
| Código KF | 7.1.2.2 |
| número CAS | 9000-83-3 |
| Bases de datos de enzimas | |
| IntEnz | vista IntEnz |
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| CAS | 9000-83-3 |
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La adenosina trifosfato sintasa ( ATP sintasa , ATP fosfohidrolasa , ATPasa de dos sectores transportadora de H + ) es un grupo de enzimas que pertenecen a la clase de translocasas y sintetizan adenosina trifosfato (ATP) a partir de adenosina difosfato (ADP) y fosfato inorgánico . El nombre de la nomenclatura es ATP-fosfohidrolasa, sin embargo, desde agosto de 2018, la enzima se ha transferido de la tercera (3.6.3.14) a la séptima clase (7.1.2.2 [1] ), ya que la reacción catalizada por la enzima procede en un de manera opuesta a la hidrólisis , y no puede describirse utilizando otros tipos de reacciones que caracterizan a otras clases de enzimas.
En la clasificación de las enzimas, la reacción de translocación que lleva a cabo la ATP sintasa se describe mediante la siguiente ecuación:
ATP + H 2 O + 4 H + [lado 1] \u003d ADP + F + 4 H + [lado 2]La energía para la síntesis de la ATP sintasa a menudo proviene de protones que viajan a lo largo de un gradiente electroquímico , como desde la luz de los tilacoides hacia el estroma del cloroplasto o desde el espacio intermembrana (la luz de la cresta ) hacia la matriz mitocondrial . La reacción de síntesis es:
ADP + F n → ATP + H 2 OLas ATP sintasas son muy importantes para la vida de casi todos los organismos, ya que el ATP es uno de los llamados compuestos macroérgicos, cuya hidrólisis libera una cantidad significativa de energía.
El antibiótico oligomicina inhibe la actividad del componente FO de la ATP sintasa mitocondrial.
La ATP sintasa F 1 F O presente en las mitocondrias ha sido muy bien estudiada.
El complejo ATP-sintasa F O F 1 tiene la forma del cuerpo fructífero de un hongo, en el que el componente F 1 es un sombrero, la pata es la subunidad γ del componente F 1 y las "raíces" del hongo son el componente de FO anclado en la membrana.
En términos estructurales y funcionales, la ATP sintasa consta de dos grandes fragmentos, indicados por los símbolos F 1 y F O . El primero de ellos (factor de conjugación F 1 ) mira hacia la matriz mitocondrial y sobresale notablemente de la membrana en forma de una formación esférica de 8 nm de alto y 10 nm de ancho. Consta de nueve subunidades representadas por cinco tipos de proteínas. Las cadenas polipeptídicas de tres subunidades α y el mismo número de subunidades β se empaquetan en glóbulos de proteína de estructura similar, que juntos forman un hexámero (αβ)3, que parece una bola ligeramente aplanada. Como rodajas de naranja densamente empaquetadas, las subunidades α y β ubicadas sucesivamente forman una estructura caracterizada por un eje de simetría triple con un ángulo de rotación de 120°. En el centro de este hexámero se encuentra la subunidad γ, que está formada por dos cadenas polipeptídicas extendidas y se parece a una barra curva ligeramente deformada de unos 9 nm de largo. En este caso, la parte inferior de la subunidad γ sobresale de la esfera 3 nm hacia el complejo de membrana F O. También dentro del hexámero se encuentra la subunidad menor ε asociada con γ. La última (novena) subunidad se denota con el símbolo δ y está ubicada en el lado exterior de F 1 .
La parte de la membrana de la ATP sintasa, llamada factor de conjugación FO , es un complejo proteico hidrofóbico que penetra a través de la membrana y tiene dos medios canales en su interior para el paso de protones de hidrógeno ( núcleos de protium ). En total, el complejo FO contiene una subunidad de proteína tipo a, dos copias de la subunidad b y de 9 a 12 copias de la subunidad c pequeña. La subunidad a (peso molecular 20 kDa) está completamente sumergida en la membrana, donde forma seis secciones α-helicoidales que la cruzan. La subunidad b (peso molecular 30 kDa) contiene solo una región helicoidal α relativamente corta inmersa en la membrana, mientras que el resto sobresale notablemente de la membrana hacia F1 y está unido a la subunidad δ ubicada en su superficie. Cada una de las 9-12 copias de la subunidad c (peso molecular 6-11 kDa) es una proteína relativamente pequeña de dos hélices α hidrofóbicas conectadas entre sí por un bucle hidrofílico corto orientado hacia F 1 , y todas juntas forman una sola conjunto que tiene la forma de un cilindro sumergido en la membrana. La subunidad γ que sobresale del complejo F 1 hacia F O está precisamente inmersa dentro de este cilindro y está fuertemente enganchada a él.
La nomenclatura de la enzima es de origen tradicional y por lo tanto bastante inconsistente.
La designación del componente F1 es la abreviatura de "Fracción 1 " (parte 1), y el símbolo FO (la letra O está escrita en el índice, no el cero) indica el sitio de unión de la oligomicina.
Algunas subunidades de la enzima también tienen designaciones de letras:
Otras son notaciones más complejas:
El componente F 1 es lo suficientemente grande (su diámetro es de 9 nm) para ser visible en un microscopio electrónico de transmisión con tinción negativa [2] .
Las partículas F 1 están salpicadas con la membrana mitocondrial interna. Inicialmente, se pensó que contenían todo el aparato respiratorio de las mitocondrias. Sin embargo, después de largos experimentos, el grupo de Ephraim Reker (quien aisló por primera vez el componente F 1 en 1961) demostró que estas partículas están asociadas con la actividad ATPasa, incluso en mitocondrias separadas y en partículas submitocondriales formadas durante la acción ultrasónica sobre las mitocondrias. Muchos estudios posteriores en diferentes laboratorios confirmaron esta actividad ATPasa.
En los años 60-70 del siglo XX, Paul Boyer sugirió que la síntesis de ATP está asociada con cambios en la configuración de la ATP sintasa provocados por la rotación de la subunidad γ, el llamado mecanismo de cambio de sitio de unión (“ flip-flop ”). ) . Un equipo de investigación dirigido por John E. Walker, entonces en el Laboratorio de Biología Molecular de Cambridge, logró aislar el complejo catalítico ATP-sintasa F 1 en forma cristalina. En ese momento, era la estructura de proteína asimétrica más grande conocida por la ciencia. Su investigación ha demostrado que el modelo de catálisis rotatoria de Boyer es correcto. Por este descubrimiento, Boyer y Walker recibieron la mitad del Premio Nobel de Química en 1997. La segunda mitad fue otorgada a Jens Christian Skow "por el primer descubrimiento de la enzima que transporta iones - Na + , K + -adenosina trifosfatasa".
El cristal F 1 consta de subunidades α y β alternas (3 de cada tipo) dispuestas como rodajas de naranja alrededor de una subunidad γ asimétrica. De acuerdo con el modelo aceptado de síntesis de ATP (también llamado modelo de catálisis voluble), un gradiente de campo eléctrico dirigido a través de la membrana mitocondrial interna y debido a la cadena de transporte de electrones hace que los protones atraviesen la membrana a través del componente FO de la ATP sintasa . Parte del componente FO ( un anillo de subunidades c ) gira cuando los protones pasan a través de la membrana. Este anillo c está estrechamente acoplado a una pata central asimétrica (que consiste principalmente en la subunidad γ), que a su vez gira dentro de la región α 3 β 3 del componente F 1 . Esto hace que los tres sitios de catálisis que se unen a los nucleótidos sufran cambios en la configuración que conducen a la síntesis de ATP.
Las subunidades principales (α 3 β 3 ) del componente F 1 están conectadas por una pata lateral adicional al sitio fijo de FO , lo que evita que giren junto con la subunidad γ. La estructura de la ATP sintasa intacta se reveló con baja precisión usando criomicroscopía electrónica (ECM). Se muestra que la pata lateral es un saltador flexible, similar a una cuerda, enrollado alrededor del complejo durante su funcionamiento.
Con cada renovación de la subunidad γ , se sintetizan tres moléculas de ATP por 360 0. Al mismo tiempo, aparentemente, en diferentes organismos, de 10 a 14 protones pasan del espacio intermembrana a la matriz, según el número de c- subunidades [3] .
Bajo ciertas condiciones, la reacción catalítica puede proceder en la dirección opuesta, con la hidrólisis de ATP provocando el bombeo de protones a través de la membrana.
El mecanismo para cambiar el sitio de unión implica el sitio activo de la subunidad β, que pasa sucesivamente por tres estados [4] .
En el estado "abierto", el ADP y el fosfato se acercan al sitio activo. Luego, la proteína abraza estas moléculas y se une libremente a ellas (el estado "libre"). El próximo cambio en la forma de la proteína presiona las moléculas juntas (un estado "apretado"), lo que conduce a la formación de ATP. Finalmente, el sitio activo vuelve a entrar en el estado "abierto", libera ATP y se une a la siguiente molécula de ADP y fosfato, después de lo cual se repite el ciclo de producción de ATP.
Como muchas otras enzimas, la acción de la ATP sintasa F 1 F O es reversible. Grandes concentraciones de ATP hacen que se descomponga ATP y cree un gradiente de protones transmembrana. Este uso de la ATP sintasa se ha observado en bacterias anaerobias que carecen de una cadena de transporte de electrones. Estas bacterias usan la hidrólisis de ATP para crear un gradiente de protones que está involucrado en el movimiento flagelar y la nutrición celular.
En las bacterias aeróbicas, en condiciones normales, la ATP sintasa tiende a funcionar a la inversa, produciendo ATP a partir de la energía del potencial electroquímico creado por la cadena de transporte de electrones. En general, este proceso se denomina fosforilación oxidativa . También procede en las mitocondrias eucariotas , en cuya membrana interna se encuentran las moléculas de ATP sintasa, y el componente F 1 está en la matriz , donde procede el proceso de síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato.
La eficiencia de la ATP sintasa es cercana al 100% [5] .
En las plantas, la CF 1 FO ATP sintasa está presente en los cloroplastos . Está incrustado en la membrana tilacoide , y el componente CF 1 sobresale hacia el estroma , donde ocurren las reacciones oscuras de la fotosíntesis (también llamadas reacciones independientes de la luz del ciclo de Calvin ). La estructura y el mecanismo de catálisis de la ATP sintasa en los cloroplastos es casi el mismo que en las mitocondrias. Sin embargo, el potencial electroquímico en los cloroplastos no está formado por la cadena de transporte de electrones respiratorios, sino por otros complejos: el fotosistema II y el complejo de citocromo b6 /f .
La ATP sintasa de E. coli es la más simple de todas las ATP sintasas conocidas. Consta de solo 8 tipos de subunidades.
Por el contrario, la ATP sintasa de levadura es la más compleja conocida. Consta de 20 tipos diferentes de subunidades.
La evolución de la ATP sintasa se considera un ejemplo de evolución modular, en el que dos subunidades, cada una con sus propias funciones, se combinaron y recibieron nuevas funciones.
El hexámero α 3 β 3 , que forma parte del componente F 1 , muestra una similitud significativa con la ADN helicasa hexámera . Ambos tipos de enzimas forman un anillo con simetría rotacional de tercer orden, que tiene un poro central. La acción de cada uno de ellos también depende de la rotación relativa de la macromolécula dentro del poro: las helicasas usan la forma helicoidal del ADN para moverse a lo largo de él y detectar el superenrollamiento, mientras que el hexámero α 3 β 3 usa cambios en su configuración debido a la rotación de la subunidad γ para llevar a cabo la reacción catalítica.
El motor de protones del componente FO muestra una gran similitud funcional con los motores de protones de los flagelos. En ambos, hay un anillo de muchas proteínas pequeñas ricas en hélices α que giran en relación con las proteínas inmóviles vecinas debido a la energía del gradiente de protones. Esto, por supuesto, es una similitud muy inestable, ya que la estructura de los motores flagelares es mucho más compleja que la FO , y el anillo de proteína giratorio es mucho más grande y consta de 30 subunidades frente a las 10, 11 o 14 que forman el componente FO .
La teoría de la evolución molecular sugiere que dos subunidades con funciones independientes, una ADN helicasa con acción ATPasa adicional y un motor de protones, pudieron combinarse, y la rotación del motor provocó la manifestación de la actividad ATPasa de la helicasa. O, por el contrario, en el ligamento primario de la ADN helicasa y el motor de protones, la hidrólisis de ATP en la helicasa hizo que el motor de protones funcionara. Luego, este compuesto se optimizó gradualmente, adquirió la capacidad de catalizar la reacción inversa y, con el tiempo, evolucionó hasta convertirse en la ATP sintasa compleja que existe en la actualidad. Sin embargo, el mecanismo del origen del motor de protones aún no está claro, lo que no sirve de nada sin helicasa u otros complejos.