La ATP sintasa es una enzima que cataliza la formación de la molécula de almacenamiento de energía trifosfato de adenosina (ATP) utilizando difosfato de adenosina (ADP) y fosfato inorgánico (P i ). La ATP sintasa es una máquina molecular . La reacción general catalizada por la ATP sintasa es:
La ATP sintasa se encuentra a través de una membrana celular y forma una abertura por la que los protones pueden cruzar desde áreas de alta concentración a áreas de baja concentración, impartiendo energía para la síntesis de ATP. Este gradiente electroquímico es generado por la cadena de transporte de electrones y permite a las células almacenar energía en ATP para su uso posterior. En las células procarióticas, la ATP sintasa se encuentra a través de la membrana plasmática , mientras que en las células eucariotas se encuentra a través de la membrana mitocondrial interna . Los organismos capaces de realizar la fotosíntesis también tienen ATP sintasa a través de la membrana tilacoide , que en las plantas se ubica en el cloroplasto y en las cianobacterias se ubica en el citoplasma .
Las ATP sintasas eucariotas son F-ATPasas , que funcionan "al revés" para una ATPasa . Este artículo trata principalmente de este tipo. Una F-ATPasa consta de dos subunidades principales, F O y F 1 , que tiene un mecanismo de motor rotacional que permite la producción de ATP. [1] [2]
La fracción F 1 deriva su nombre del término "Fracción 1" y FO ( escrita como subíndice "o", no "cero") deriva su nombre de ser la fracción de unión de la oligomicina , un tipo de antibiótico de origen natural que es capaz de inhibir la unidad F O de la ATP sintasa. [3] [4] Estas regiones funcionales constan de diferentes subunidades proteicas; consulte las tablas. Esta enzima se utiliza en la síntesis de ATP mediante la respiración aeróbica.
Ubicada dentro de la membrana tilacoide y la membrana mitocondrial interna , la ATP sintasa consta de dos regiones FO y F 1 . F O provoca la rotación de F 1 y está formado por el anillo c y las subunidades a, dos b, F6. F 1 está formado por subunidades α, β, γ y δ. F 1 tiene una parte soluble en agua que puede hidrolizar el ATP. Por otro lado, F O tiene regiones principalmente hidrófobas. F O F 1 crea una vía para el movimiento de protones a través de la membrana. [7]
La porción F 1 de la ATP sintasa es hidrófila y responsable de hidrolizar el ATP. La unidad F 1 sobresale hacia el espacio de la matriz mitocondrial . Las subunidades α y β forman un hexámero con 6 sitios de unión. Tres de ellos son catalíticamente inactivos y se unen al ADP.
Otras tres subunidades catalizan la síntesis de ATP. Las otras subunidades F 1 γ, δ y ε son parte de un mecanismo motor rotacional (rotor/eje). La subunidad γ permite que β pase por cambios conformacionales (es decir, estados cerrado, medio abierto y abierto) que permiten que el ATP se una y libere una vez sintetizado. La partícula F 1 es grande y puede verse en el microscopio electrónico de transmisión mediante tinción negativa. [8] Se trata de partículas de 9 nm de diámetro que salpican la membrana mitocondrial interna.
F O es una proteína insoluble en agua con ocho subunidades y un anillo transmembrana. El anillo tiene una forma tetramérica con una proteína hélice-bucle-hélice que pasa por cambios conformacionales cuando se protona y desprotona, empujando a las subunidades vecinas a rotar, provocando el giro de FO que luego también afecta la conformación de F 1 , lo que resulta en un cambio de estados. de subunidades alfa y beta. La región F O de la ATP sintasa es un poro de protones que está incrustado en la membrana mitocondrial. Consta de tres subunidades principales, a, b y c. Seis subunidades c forman el anillo del rotor y la subunidad b forma un tallo que se conecta al F 1 OSCP que evita que el hexámero αβ gire. La subunidad a conecta b con el anillo c. [11] Los humanos tienen seis subunidades adicionales, d , e , f , g , F6 y 8 (o A6L). Esta parte de la enzima se encuentra en la membrana interna mitocondrial y acopla la translocación de protones a la rotación que provoca la síntesis de ATP en la región F 1 .
En eucariotas, la FO mitocondrial forma dímeros que doblan la membrana. Estos dímeros se autoorganizan en largas filas al final de las crestas , posiblemente el primer paso en la formación de las crestas. [12] Se determinó un modelo atómico para la región FO de levadura dimérica mediante crio-EM con una resolución general de 3,6 Å. [13]
Entre los años 1960 y 1970, Paul Boyer , profesor de la UCLA , desarrolló la teoría del mecanismo de cambio de unión, o flip-flop, que postulaba que la síntesis de ATP depende de un cambio conformacional en la ATP sintasa generado por la rotación de la subunidad gamma. El grupo de investigación de John E. Walker , entonces en el Laboratorio de Biología Molecular MRC en Cambridge , cristalizó el dominio catalítico F 1 de la ATP sintasa. La estructura, en ese momento la estructura proteica asimétrica más grande conocida, indicaba que el modelo de catálisis rotatoria de Boyer era, en esencia, correcto. Por dilucidar esto, Boyer y Walker compartieron la mitad del Premio Nobel de Química de 1997 .
La estructura cristalina del F 1 mostraba subunidades alfa y beta alternas (3 de cada una), dispuestas como segmentos de una naranja alrededor de una subunidad gamma asimétrica en rotación. Según el modelo actual de síntesis de ATP (conocido como modelo catalítico alterno), el potencial transmembrana creado por los cationes de protones (H+) suministrados por la cadena de transporte de electrones, impulsa los cationes de protones (H+) desde el espacio intermembrana a través de la membrana a través de la Región F O de la ATP sintasa. Una porción del FO ( el anillo de las subunidades c ) gira cuando los protones atraviesan la membrana. El anillo C está firmemente unido al tallo central asimétrico (que consiste principalmente en la subunidad gamma), lo que hace que gire dentro del alfa 3 beta 3 de F 1, lo que provoca que los 3 sitios de unión de nucleótidos catalíticos pasen por una serie de cambios conformacionales que conducir a la síntesis de ATP. Las principales subunidades F 1 no pueden girar en simpatía con el rotor del tallo central mediante un tallo periférico que une el alfa 3 beta 3 con la porción no giratoria de FO . La estructura de la ATP sintasa intacta se conoce actualmente en baja resolución a partir de estudios de criomicroscopía electrónica (crio-EM) del complejo. El modelo crio-EM de la ATP sintasa sugiere que el tallo periférico es una estructura flexible que envuelve el complejo cuando une F 1 a F O . En las condiciones adecuadas, la reacción enzimática también se puede llevar a cabo a la inversa, con la hidrólisis del ATP impulsando el bombeo de protones a través de la membrana.
El mecanismo de cambio de unión implica el sitio activo del ciclo de una subunidad β entre tres estados. [14] En el estado "suelto", el ADP y el fosfato ingresan al sitio activo; en el diagrama adyacente, esto se muestra en rosa. Luego, la enzima sufre un cambio de forma y fuerza a estas moléculas a unirse, con el sitio activo en el estado "estrecho" resultante (que se muestra en rojo) uniendo la molécula de ATP recién producida con muy alta afinidad . Finalmente, el sitio activo regresa al estado abierto (naranja), liberando ATP y uniendo más ADP y fosfato, listo para el siguiente ciclo de producción de ATP. [15]
Como otras enzimas, la actividad de la F 1 F O ATP sintasa es reversible. Cantidades suficientemente grandes de ATP hacen que se cree un gradiente de protones transmembrana , que lo utilizan las bacterias fermentadoras que no tienen una cadena de transporte de electrones, sino que hidrolizan el ATP para formar un gradiente de protones, que utilizan para impulsar los flagelos y el transporte de nutrientes al interior de la célula.
En las bacterias que respiran en condiciones fisiológicas, la ATP sintasa, en general, corre en la dirección opuesta, creando ATP mientras utiliza la fuerza motriz del protón creada por la cadena de transporte de electrones como fuente de energía. El proceso general de creación de energía de esta manera se denomina fosforilación oxidativa . El mismo proceso tiene lugar en las mitocondrias , donde la ATP sintasa se encuentra en la membrana mitocondrial interna y la parte F 1 se proyecta hacia la matriz mitocondrial . Al bombear cationes de protones a la matriz, la ATP-sintasa convierte el ADP en ATP.
Se cree que la evolución de la ATP sintasa fue modular, por lo que dos subunidades funcionalmente independientes se asociaron y adquirieron una nueva funcionalidad. [16] [17] Esta asociación parece haber ocurrido temprano en la historia evolutiva, porque esencialmente la misma estructura y actividad de las enzimas ATP sintasa están presentes en todos los reinos de la vida. [16] La F-ATP sintasa muestra una alta similitud funcional y mecánica con la V-ATPasa . [18] Sin embargo, mientras que la F-ATP sintasa genera ATP utilizando un gradiente de protones, la V-ATPasa genera un gradiente de protones a expensas del ATP, generando valores de pH tan bajos como 1. [19]
La región F 1 también muestra una similitud significativa con las ADN helicasas hexaméricas (especialmente el factor Rho ), y toda la región enzimática muestra cierta similitud con H+
-T3SS impulsados o complejos motores flagelares . [18] [20] [21] El hexámero α 3 β 3 de la región F 1 muestra una similitud estructural significativa con las helicasas de ADN hexaméricas; ambos forman un anillo con simetría rotacional triple con un poro central. Ambos tienen funciones que dependen de la rotación relativa de una macromolécula dentro del poro; las ADN helicasas utilizan la forma helicoidal del ADN para impulsar su movimiento a lo largo de la molécula de ADN y detectar el superenrollamiento, mientras que el hexámero α 3 β 3 utiliza los cambios conformacionales mediante la rotación de la subunidad γ para impulsar una reacción enzimática. [22]
El h+
El motor de la partícula F O muestra una gran similitud funcional con el H.+
Motores que impulsan los flagelos. [18] Ambos presentan un anillo de muchas proteínas pequeñas de hélice alfa que giran en relación con proteínas estacionarias cercanas, utilizando un H+
gradiente de potencial como fuente de energía. Sin embargo, este vínculo es tenue, ya que la estructura general de los motores flagelares es mucho más compleja que la de la partícula F O y el anillo con aproximadamente 30 proteínas giratorias es mucho más grande que las 10, 11 o 14 proteínas helicoidales en la partícula F O. complejo. Sin embargo, datos estructurales más recientes muestran que el anillo y el tallo son estructuralmente similares a la partícula F 1 . [21]
La teoría de la evolución modular para el origen de la ATP sintasa sugiere que dos subunidades con función independiente, una ADN helicasa con actividad ATPasa y una H+
motor, pudieron unirse, y la rotación del motor impulsó la actividad ATPasa de la helicasa en reversa. [16] [22] Este complejo luego evolucionó con mayor eficiencia y finalmente se convirtió en las intrincadas ATP sintasas actuales. Alternativamente, la ADN helicasa/ H+
complejo motor puede haber tenido H+
actividad de la bomba con la actividad ATPasa de la helicasa impulsando el H+
motor en reversa. [16] Esto puede haber evolucionado para llevar a cabo la reacción inversa y actuar como una ATP sintasa. [17] [23] [24]
Se han descubierto diversos inhibidores naturales y sintéticos de la ATP sintasa. [25] Estos se han utilizado para investigar la estructura y el mecanismo de la ATP sintasa. Algunos pueden ser de uso terapéutico. Existen varias clases de inhibidores de la ATP sintasa, incluidos inhibidores peptídicos, fitoquímicos polifenólicos, policétidos, compuestos organoestaño, derivados poliénicos de α-pirona, inhibidores catiónicos, análogos de sustrato, modificadores de aminoácidos y otros productos químicos diversos. [25] Algunos de los inhibidores de la ATP sintasa más utilizados son la oligomicina y el DCCD .
La ATP sintasa de E. coli es la forma más simple conocida de ATP sintasa, con 8 tipos de subunidades diferentes.[11]
En ocasiones, las F-ATPasas bacterianas pueden funcionar a la inversa, convirtiéndolas en una ATPasa. [26] Algunas bacterias no tienen F-ATPasa y utilizan una ATPasa de tipo A/V bidireccionalmente. [9]
La ATP sintasa de levadura es una de las ATP sintasas eucariotas mejor estudiadas; y se han identificado cinco subunidades F 1 , ocho FO y siete proteínas asociadas. [7] La mayoría de estas proteínas tienen homólogos en otros eucariotas. [27] [28] [29] [30]
En las plantas, la ATP sintasa también está presente en los cloroplastos (CF 1 F O -ATP sintasa). La enzima se integra en la membrana tilacoide ; la parte CF 1 se adhiere al estroma , donde tienen lugar las reacciones oscuras de la fotosíntesis (también llamadas reacciones independientes de la luz o ciclo de Calvin ) y la síntesis de ATP. La estructura general y el mecanismo catalítico de la ATP sintasa del cloroplasto son casi los mismos que los de la enzima bacteriana. Sin embargo, en los cloroplastos, la fuerza motriz de los protones no se genera mediante la cadena respiratoria de transporte de electrones sino mediante proteínas fotosintéticas primarias. La sintasa tiene un inserto de 40 aa en la subunidad gamma para inhibir la actividad derrochadora cuando está oscuro. [31]
La ATP sintasa aislada de mitocondrias de corazón bovino ( Bos taurus ) es, en términos de bioquímica y estructura, la ATP sintasa mejor caracterizada. El corazón de res se utiliza como fuente de enzima debido a la alta concentración de mitocondrias en el músculo cardíaco. Sus genes tienen una estrecha homología con las ATP sintasas humanas. [32] [33] [34]
Genes humanos que codifican componentes de las ATP sintasas:
Los eucariotas que pertenecen a algunos linajes divergentes tienen organizaciones muy especiales de la ATP sintasa. Una ATP sintasa de euglenozoos forma un dímero con una cabeza F 1 en forma de boomerang como otras ATP sintasas mitocondriales, pero el subcomplejo FO tiene muchas subunidades únicas. Utiliza cardiolipina . El IF 1 inhibidor también se une de forma diferente, de forma compartida con la tripanosomatida . [35]
Las arqueas generalmente no tienen una F-ATPasa. En cambio, sintetizan ATP utilizando la A-ATPasa/sintasa, una máquina rotatoria estructuralmente similar a la V-ATPasa pero que funciona principalmente como una ATP sintasa. [26] Al igual que la bacteria F-ATPasa, se cree que también funciona como ATPasa. [9]
El enlace genético F-ATPasa y el orden de los genes están ampliamente conservados en linajes procariotas antiguos, lo que implica que este sistema ya existía en una fecha anterior al último ancestro común universal , el LUCA. [36]
