Struktura ATP syntázy, protonový kanál F0 a rotující stopka jsou zobrazeny modře, doména F1 syntázy červeně a membrána šedě.
ATP syntáza (EC 3.6.3.14) je obecný termín pro enzym, který může syntetizovat adenosintrifosfát (ATP) z adenosintrifosfátu (ADP) a anorganického fosfátu pomocí nějaké formy energie. Tato energie je často ve formě protonů pohybujících se po elektrochemickém gradientu, například z lumenu do stroma chloroplastů nebo z mezimembránového prostoru do matrice v mitochondriích. Celková sekvence reakce je:
Tyto enzymy mají zásadní význam téměř ve všech organismech, protože ATP je společná „energetická měna“ buněk.
Antibiotikum oligomycin inhibuje jednotku FO ATP syntázy.
Struktura a nomenklatura
V mitochondriích má F1FO ATP syntáza dlouhou historii vědeckého studia.
Je snadné si představit částici FOF1 jako připomínající plodící tělo běžné houby, přičemž hlavou je částice F1, stonkem je gama podjednotka F1 a základem a „kořeny“ je částice FO vložená do membrány.
Názvosloví enzymu trpí dlouhou historií. Frakce F1 odvozuje svůj název od výrazu „Frakce 1“ a FO (psáno jako dolní index „O“, ne „nula“) odvozuje svůj název od oligomycinu vázající frakce.
Částice F1 je velká a lze ji pozorovat v transmisním elektronovém mikroskopu negativním barvením. Jedná se o částice o průměru 9 nm, které pepřovitě zasahují vnitřní mitochondriální membránu. Původně se nazývaly elementární částice a předpokládalo se, že obsahují celý dýchací aparát mitochondrionu, ale díky dlouhé řadě experimentů se Ephraimu Rackerovi a jeho kolegům (kteří poprvé izolovali částici F1 v roce 1961) podařilo prokázat, že tato částice koreluje s aktivitou ATPázy v nespojených mitochondriích a s aktivitou ATPázy v submitochondriálních částicích vzniklou vystavením mitochondrií ultrazvuku. Tato aktivita ATPázy byla dále spojena s vytvořením ATP dlouhou řadou experimentů v mnoha laboratořích.
V šedesátých až sedmdesátých letech vyvinul Paul Boyer svůj mechanismus pro změnu vazby neboli flip-flop, který předpokládal, že ATP syntéza je spojena s konformační změnou ATP syntázy generovanou rotací gama podjednotky. Výzkumná skupina Johna E. Walkera, tehdy v MRC Laboratory of Molecular Biology v Cambridge, ale nyní v MRC Dunn Human Nutrition Unit (také v Cambridge), vykrystalizovala F1 katalytickou doménu ATP syntázy. Struktura, v té době největší známá asymetrická proteinová struktura, naznačovala, že Boyerův rotačně-katalytický model je v podstatě správný. Za objasnění tohoto Boyer a Walker se podělili o polovinu Nobelovy ceny za chemii za rok 1997. Jens Christian Skou obdržel druhou polovinu ceny za chemii v tom roce „za první objev enzymu transportujícího ionty, Na+, K+ -ATPázy“
Mechanismus ATP syntázy. ATP je zobrazen červeně, ADP a fosfát růžově a rotující γ podjednotka černě.
Krystalová struktura F1 vykazovala střídavé alfa a beta podjednotky (po 3), uspořádané jako segmenty oranžové kolem asymetrické gama podjednotky. Podle současného modelu ATP syntézy (známého jako střídavý katalytický model) protonová hybná síla přes vnitřní mitochondriální membránu, generovaná elektronovým transportním řetězcem, pohání průchod protonů membránou přes oblast FO ATP syntázy. Část FO (prstenec c-podjednotek) rotuje, jak protony procházejí membránou. c-prstenec je pevně spojen s asymetrickou centrální stopkou (sestávající především z gama podjednotky), která rotuje uvnitř alfa3beta3 F1 a způsobuje, že 3 vazebná místa katalytických nukleotidů procházejí řadou konformačních změn, které vedou k ATP syntéze. Hlavním F1 podjednotkám je bráněno v rotaci v sympatiích s rotorem centrální stopky periferní stopkou, která spojuje alfa3beta3 s neotáčející se částí FO. Struktura neporušené ATP syntázy je v současnosti známa v nízkém rozlišení z elektronové kryo-mikroskopie (kryo-EM) studií komplexu. Kryo-EM model ATP syntázy ukazuje, že periferní stopka je pružná lanovitá struktura, která se obtáčí kolem komplexu, když se spojuje s F1 na FO. Za správných podmínek lze enzymatickou reakci provádět i obráceně, přičemž ATP hydrolýza pumpuje proton přes membránu.
Mechanismus změny vazby spočívá v tom, že aktivní místo β podjednotky cykluje mezi třemi stavy. V „otevřeném“ stavu ADP a fosfát vstupují do aktivního místa, na diagramu vpravo je to zobrazeno hnědě. Protein se pak kolem molekul uzavře a volně je váže – tzv. „volný“ stav (zobrazeno červeně). Enzym pak prochází další změnou tvaru a tyto molekuly tlačí k sobě, přičemž aktivní místo ve výsledném „těsném“ stavu (zobrazeno růžově) váže nově vzniklou ATP molekulu s velmi vysokou afinitou. Nakonec aktivní místo cykluje zpět do otevřeného stavu, uvolňuje ATP a váže více ADP a fosfátu, připraveného pro další cyklus produkce ATP.
Podobně jako u jiných enzymů je aktivita F1FO ATP syntázy reverzibilní. Dostatečně velké množství ATP způsobí, že vytvoří transmembránový protonový gradient, který se používá při fermentaci bakterií, které nemají elektronový transportní řetězec, a hydrolýzou ATP vytvoří protonový gradient, který používají pro flagelly a transport živin do buňky.
Vývoj ATP syntázy je považován za příklad modulární evoluce, kdy se dvě podjednotky s vlastními funkcemi spojily a získaly novou funkčnost. Částice F1 vykazuje značnou podobnost s hexamerními DNA helikázami a částice FO vykazuje určitou podobnost s H+ poháněnými bičíkovými motorickými komplexy.
Hexamer α3β3 částice F1 vykazuje významnou strukturální podobnost s hexamerními DNA helicases; oba tvoří kruh s trojnásobnou rotační symetrií s centrálním pórem. Oba také mají role závislé na relativní rotaci makromolekuly v póru; helicases DNA používají šroubovitý tvar DNA k řízení svého pohybu po molekule DNA a k detekci supercívky, zatímco hexamer α3β3 používá konformační změny způsobené rotací γ podjednotky k řízení enzymatické reakce.
Modulární evoluční teorie o původu ATP syntázy naznačuje, že dvě podjednotky s nezávislou funkcí, DNA helikáza s aktivitou ATPázy a motorem H+, byly schopny se vázat a rotace motoru poháněla aktivitu ATPázy helikázy obráceně. To by se pak vyvíjelo k větší efektivitě a nakonec by se vyvinulo do komplexních ATP syntáz, jaké vidíme dnes. Alternativně DNA helikáza/motorický komplex H+ mohl mít aktivitu pumpy H+, aktivita ATPázy helikázy poháněla motor H+ obráceně. To by se později mohlo vyvinout k provedení obrácené reakce a působit jako ATP syntáza.
Cu++ (Menkes, Wilson) – Ca+ (SERCA, plazmatická membrána) – Na+/K+ – H+/K+ – ATP syntáza – H+ (typ F) – H+ (typ V)
Dynein – Kinesin – Myosin