ATP Syntázy (FoF1-komplex): Podrobné informace o enzym,

ATP syntáza FAQ

Tento seznam Často kladených Otázek (FAQ) na ATP syntázy iswritten s předpokladem, že čtenář má některé backgroundknowledge v oblasti biochemie, enzymologie a fyzikální chemie.
Toto NENÍ recenze článku, nebo něco podobného, tam jsou noreferences nebo kredity, a ne podrobný popis experimentsunderlying každý kus informace. Pokud máte zájem o získání podrobností, napište mi e-mail (feniouk atpsynthase.info) a budu rád diskutovat o některé z otázekníže.
doporučené čtení je přidáno pro některé sekce pod „„-sign.

Obsah

Správný název
Fyziologickou roli ATP-syntázy.
Rozdíly mezi F-, Na-, V-, P-a E-ATPases
architektura a podjednotky složení ATP-syntázy.
reakce katalyzované
Termodynamiky ATP syntéza/hydrolýza
Hnací silou syntézy ATP katalyzována ATP-syntázy.
Rotační katalýza
Inhibitory ATP-syntázy.
Inhibitory FO
Inhibitory F1
Proton/ATP poměru
ATP syntáza umístění
Kolik katalytické místo se enzym?
Jak rychlá je ATP syntáza?
translokace protonů prostřednictvím FO
Co je Beta DELSEED sekvence?
mohu dostat odpověď na otázku, která zde není uvedena?

Správný název

Podle IUBMBEnzyme Názvosloví, enzym se nazývá „ATP phosphohydrolase (H+-přepravu)“. Název „ATP syntáza“ však odráží primární funkci enzymu vícejasně a dnes je nejrozšířenější.
Další název, který byl v minulosti běžně používán, je „H+ – ATPáza“, někdy přesnější „FOF1 H+ – ATPáza“. Po objevení mnoha dalšíchtypy protonových pump poháněných ATP jsou tyto staré názvy méně používány.
další názvy, které byly použity pro ATP syntázy jsou:
F1-Atpáza
FOF1-Atpáza
F-typ Atpázy nebo jednoduše F-Atpázy
H+-přepravu Atpázy
mitochondriální Atpázy
spojovací faktory (F0, F1and CF1)
chloroplast Atpázy
bakteriální Ca2+/Mg2+Atpázy
ATP syntáza komplex
Komplex V (pět)

Fyziologickou roli ATP syntázy

Chcete-li dlouhý příběh krátký, primární funkce ATP syntázy ve většině organismů je ATP syntézu. Proto jméno. V některých případech je však důležitější reverzní reakce, tj. transmembránové protonové pumpovánísilné hydrolýzou ATP. Typický příklad: anaerobní bakterie produkují ATP byfermentation, a ATP syntáza využívá ATP generovat protonmotive síly potřebné pro ion dopravya bičíky pohyblivost.
mnoho bakterií může žít jak fermentací, tak dýcháním nebo fotosyntézou. V takovém případě ATP syntázafunguje oběma způsoby.
důležitou otázkou je kontrola ATP-řízené protonové čerpací aktivity ATP syntázy, aby se zabránilo zbytečné hydrolýze ATP za podmínek, kdy nemůže být generována protonmotorická síla (např.). V takovém případě se hydrolýza ATP stává problémem, protože může rychle vyměnit intecelulární bazén ATP. Aby se zabránilo této situaci, jsou všechny ATP syntázy vybaveny regulačními mechanismy, které potlačují Atpaseaktivitu, pokud není přítomna protonmotorická síla. Stupeň inhibice hydrolýzy ATPZÁVISÍ na organismu. V rostlinách (v chloroplastech), kde je nutné preserveATP bazén přes celou noc, inhibice je velmi silná: enzym má sotva anyATPase činnosti. Naproti tomu u anaerobních bakterií, kde je hlavním generátorem protonmotivní síly ATP synháza, je taková inhibice velmi slabá. Mitochondriální ATP syntáza je někdymezi nimi.

Rozdíly mezi F-, Na-, V-, P-a E-ATPases

• „F-typ Atpázy“ je jen jiný název pro ATP syntázy; písmeno „F“pocházi z „fosforylace Faktoru“.F-ATPázy jsou přítomny v bakteriích, mitochondriích a chloroplastech. Jejichhlavní funkcí je ve většině případů syntéza ATP na úkor transmembraneelektrochemického protonového potenciálního rozdílu. U některých bakterií je však primární funkce enzymu obrácena: tohydrolyzuje ATP, aby vytvořil tento potenciální rozdíl. In vitro ATPázy typu F mohoupracovat v obou směrech v závislosti na experimentálních podmínkách.
  Nachází se také několik atpáz typu na + – bakteriální F.
• ATPázy typu a byly nalezeny v Archaea, jejich funkce je podobná funkci ATP syntázy typu F, ale strukturálně jsou velmi podobné Atpázám typu V (viz níže).
• V-typ H+ – ATPázy byly zpočátku nalezeny v eukaryotických Vakuolech. Jejich primární funkcí je čerpání protonů (nebo Na+) řízených ATP, které okyselují vnitřek vakuolu.
• ATPázy typu P (někdy nazývané E1-E2 ATPázy) pumpují celou řadu membrán a nacházejí se v bakteriích a v mnoha organelách.
• ATPázy typu E (nemíchejte s Atpázami typu E1-E2!) je rodina ofenzymesthat rozpouštějí ExtracellularATP (viz HerbertZimmermann je Ecto-Atpázy webové stránky pro podrobnosti)

F-, A-, a V-typ ATPases aremultisubunit komplexy, podobné, pokud jde o overallarchitecture, a pravděpodobně mají stejné jádro katalytického mechanismu. Theycouple transmembránový protonový (nebo Na+ v F-ATPases) doprava,dosaženo rotací určité podjednotky komplexu ve vztahu ke zbytku enzymu, s ATPhydrolysis (nebo syntézy v – a F-ATPases).
společné rysy pro ně jsou: „houbový“ tvar, hexamerickýhydrofilní katalytická doména typu alfa 3 Beta 3 s podjednotkou Gama uvnitř. Katalytický účinek provedenýtěchto enzymů nezahrnuje fosforylovaný enzymintermediát.
proton-translocating portionof tyto enzymy se skládá z ve tvaru prstence podjednotky oligomeru (c-subunitoligomer v případě F-type ATPases); eachsubunit nese kriticky importantcarboxyl skupiny přibližně v polovině své druhé transmembranehelix. Tato karboxylová skupina je přímo zapojenaprotonové translokace.
ATPázy typu P jsou zcela jinou rodinou ATP-translokačních pump. Většina z nich jsou také multisubunitymembránové proteiny; jeden velký f provádí jak Atfydrolýzu, tak iontové čerpání. Existuje mnoho různých podrodin atpáz typu p, obvykle klasifikovaných podle iontutransport. H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ag+ andAg2+, Zn2+, Co2+, Pb2+, Ni2+, Cd2+, Cu+ a Cu2+ čerpací P-ATPáza jsoupopsáno.
během hydrolýzy ATP pomocí P-Atpasepři určitém stupni katalytického cyklu se fosfát přenese najeden z ASP zbytků enzymu. There is no evidence (neitherstructural nor functional) for rotary catalysis in P-type ATPases.Typical examples of such enzymes are yeast plasma membrane H+ATPase, K+/Na+ membraneATPase, Ca2+ membraneATPase.

1) Pedersen, P. L., andCarafoli, E. (1987) Ion motive ATPases. I. Ubiquity, properties, andsignificance to cell function. Trends Biochem. Sci. 4:146-150. 2) atpasedatabáza typu P (Kristian B. Alexsen, Švýcarský institut bioinformatiky) 3) Kawasaki-Nishi S, Nishi T, Forgac m. (2003) protonová translokacedriven hydrolýzou ATP ve V-Atpázách. FEBS Lett. 545(1): 76-85. 4) Perzov N, Padler-Karavani V, Nelson H, Nelson N. (2001) vlastnostiv-ATPázy, které je odlišují od F-Atpáz. FEBS Lett. 504(3): 223-8.

struktura a podjednotky složení ATP syntázy

ATP syntáza je velká houba ve tvaru asymetrického proteinový komplex. Thesimplest bakteriální enzym (viz karikatura níže) se skládá z 8subunit typy, kterého 5 tvoří katalytické hydrofilní F1-část („cap“houby). Tyto podjednotky jsou pojmenovány řeckými písmeny (alfa, Beta, gama, Delta a Epsilon) podle jejich molekulové hmotnosti. Proton translocating FO část se skládá ofsubunits 3 typy pojmenované a, b a c.

katalytické část ATP-syntázy (F1) je tvořen byAlpha 3Beta 3 hexamer s Gama podjednotky uvnitř a Epsilonattached do Gama. Delta podjednotky je vázána na „vrchol“ hexameru a podjednotek b. hydrofobní transmembránový segment podjednotky b je v kontaktu s podjednotkou a.Podjednotky Gama a Epsilon katalytické domény jsou vázány na oligomer c-podjednotek.Translokace protonů probíhá na rozhraní podjednotek a A c.
stechiometrie podjednotek je:

Chloroplast ATP synthase and the enzyme from some photosyntheticbacteriahave 2 different, although similar, b-typesubunits in the protontranslocating FO portion, konkrétně b A b‘, jedna kopie každého.
Vysoká homologie se nachází u většiny podjednotek ATP syntázy z různých bakterií a chloroplastů.
mitochondriální enzym je mnohem složitější; v současné době je popsáno 17 různých typůpodjednotek. Některé z těchto podjednotek mají vysokou homologii k bakteriálním a chloroplastovým protějškům, zejména podjednotky Alfa, Beta a gama v části F1 a podjednotky a A c ve Foporci. Mnoho podjednotek je jedinečné pro mitochondriální enzym (viz tabulka nomenklatury podjednotek).Katalytické a protonové translokační „jádro“ enzymu jestále vysoce homologické jako bakteriální a chloroplastová Atpsyntáza. Celková topologie enzymu je také velmi podobná.

reakce katalyzované

ATP syntáza katalyzuje ATP syntéza/hydrolýza spolu totransmembrane přenosu protonu.V případě syntézy energie vstupní pocházi z protonic tok přes FO kopce, transmembraneelectrochemical proton potenciální rozdíl ().V případě hydrolýzy enzym funguje jako ATP-řízené proton pumpand generuje .
rovnici reakce katalyzované

ADP3- + Pi2- + nH,+P <> ATP4- + H2O+ (n-1)H+N ( pH > 7.2 )

„P“ a „N“ indexy označují pozitivně a negativně nabité stranách thecoupling membrány.
hodnota pH je důležitá: pK hodnoty Pi2- + H+<> Pi – je 7,2, zatímco thecorresponding pK hodnoty fosfátu na ADP a ATP jsou blízko k 6.9.
To znamená, že hodnotu pH v rozmezí 6.9-7.2 prevailingreaction nebude zahrnovat zachycování protonů:

ADP3- + Pi – a + nH,+P <> ATP4- + H2O+ nH+N ( pH 6.9-7.2 )

Nicméně, pod pH = 6.9, převažující reakce je opět accompaniedby protontrapping:

ADP2- + Pi- + nH+P <> ATP3- + H2O+ (n-1)H+N ( pH < 6.9 )

Thermodynamics of the ATP synthesis/hydrolysis

Traditionally the thermodynamics of ATP synthesis/hydrolysis isdescribed for the hydrolysis reaction:

ATP4- + H2O <> ADP3- + Pi2- + H+ ( pH > 7.2 )

„Physical Chemistry“(P.W.Atkins, 2. vydání) dává hodnotu -30 kJ mol-1 (-7.16 kcal/mol) v 37oCas „biologické“ standardní Gibbsfree energetické změny (ó) pro tato reakce. To je rozumný odhad, neboť údaje od -28 do -36 kJmol-1plechovka lze nalézt v literatuře, nejvíce populární bytí -30.6 kJ mol-1(-7.3 kcal/mol).
standardní Gibbsfree energie mění, o, je celkové množství energie, které se používají buď nahoru nebo propuštěn během chemicalreaction pod standardconditions při chemické činnosti všech reaktantů se rovná 1. V případě reakcí ve vodných roztocích jsou aktivity obvykle substituovány koncentracemi (tj. 1 M); samotná aktivita vody se považuje za 1. „Biologické“ standardní Gibbsfree energie mění, o, je similarparameter, ale je definován při pH 7, tj. koncentrace H+není 1 M, ale 10-7M. To je více praktické a pohodlné,pro většinu biologické reakce probíhají na fyziologické pH.
velmi důležité, a někdy ignorovat bod, je, že ó není množství energie dostupné řídit ostatní, endotermické reakce v buňce, protože podmínky v buňce nejsou standardní(viz definice výše). Skutečná změna gibbsovy energie je
‚+ 2.3 RT log ,
kde CADP,CPi, CH+,a CATP jsou skutečné koncentrace z příslušné reaktanty, R je molární plynová konstanta(8.314 J mol-1K-1), at je teplota v Kelvinech. Aby byl tento bod jasný, uvažujme o následujícím příkladuarbitrární hodnoty, které jsou blízké skutečným intracelulárnímkoncentracím:

změna gibbsovy energie za takových podmínek (teplota 310oK,nebo 37oC) bude
‚+ 2.3 RT log ( CADPCPi CH+ / CATP )= -30 – 19.6 = – 49.6 kJ mol-1,
Tento údaj vypočítaný z aktuální koncentrace thereaction komponenty, odráží energie k dispozici jako hnací forcefor jakýkoli jiný proces spojený s hydrolýzou ATP za daných podmínek.
z toho vyplývá, že stejný 49.6 kJ mol-1 musí být poskytnuty účetní proton transport přes membránu dolů electrochemicalgradient udržovat tak vysokou ATP/ADP poměr. Pokud předpokládáme, že na každou syntetizovanou ATP molekulu jsou transportovány 3prot, je nutný atransmembránový h + elektrochemický gradient 49,6 / 3= 16,5 kJ mol-1 (tj. protonmotivnísíla 171 mV).

závěr z výše uvedeného příkladu je:
energie poskytnutých ATP hydrolýza není stanovena (stejně jako dodávek nezbytných k syntéze ATP). Infirst aproximace závisí na koncentraci ADP, ATP, Piand na pH. Tato energie se zvyšuje logaritmicky na snížení inADP a Pi koncentrace a při zvýšení ATP nebo koncentrace H+ (= lineárně snižuje s nárůstem pH). Níže uvedené grafy ilustrují tento bod, showingchange v na změnu v theconcentrationof jednoho reaktantu (osa x),za předpokladu, že koncentrace dalších reaktantů jsou vedeny constantat hodnoty použité v příkladu výše (červené tečky označují vypočítá v tomto příkladu).

zavřít této části, bych chtěl poznamenat, že i když thethermodynamics ATP syntézy popsané zde by se mohlo zdát rathercomplex, to je ve skutečnosti mnohem složitější. Jeden bod zanedbané tady bylo různých ADP a ATP protonace státy (seeabove), druhá je, že skutečné podklady v reactioncatalyzed ATP syntázy nejsou čisté nukleotidů, ale jejich magnesiumcomplexes. Nicméně, protože koncentrace hořčíku v živé buňceje relativně vysoká a pH je obvykle vyšší než 7.2, so the descriptiongiven is still applicable for thermodynamic estimates.

1) Nicholls, D. G. and S.J. Ferguson. Bioenergetics 2,London:Academic Press, 1992. 2) Any edition of „Physical Chemistry“by P. Atkins

Driving force for ATP synthesis catalyzed by ATP synthase.

ATP syntézu katalyzována ATP syntázy je napájen které transmembránový elektrochemický protonový potenciální rozdíl, skládá z twocomponents: chemické a theelectrical. Čím více protonů je na jedné straně membrány relativnína druhé straně, tím vyšší je hnací síla protonu, aby překročilmembránu. Protože proton je nabitá částice, jeho pohyb je také ovlivněn elektrickým polem: transmembránový elektrický potenciálrozdíl bude řídit protony z kladně nabité strany na záporně nabitou.

vodní mlýn je dobrá analogie: rozdíl mezi vodou levelsbefore a po přehrada poskytuje potenciální energie; sjezdové vody flowrotates thewheel; rotace je použit k provedení nějaké práce (ATP náš případ).

Kvantitativně se měří v Joulech na mol (J mol-1) a je definováno jako:

= -F + 2.3 RT (pHP – pHN),

kde „P“ a „N“ indexy označují pozitivně a negativně nabité stranách thecoupling membrány; F je Faradayova konstanta(96 485 C mol-1); R je molární plynová konstanta(8.314 J mol-1K-1),T je teplota v Kelvinech, a je thetransmembrane elektrický potenciál, rozdíl involts. Hodnota říká, kolik energie je potřeba (nebo je propuštěn, v závislosti na thedirection transmembránový protonový tok) krok 1 mol protonsacross membrány.
To je často výhodnější použít , ale protonmotive síly (pmf):

pmf = – /F = -2.3RT/F (pHP – pHN)

Při pokojové teplotě (25 ° c) protonmotive síly (inmillivolts, stejně jako ):

pmf = – 59 (pHP – pHN)

V nepřítomnosti transmembránový rozdíl pH pmf rovná transmembraneelectrical potenciální rozdíl a může být přímo měřen severalexperimental techniky (tj. projevit ion distribuce,potenciál-citlivých barviv, elektrochromní karotenoid bandshift, atd.).Každá jednotka pH transmembránového pH gradientu odpovídá 59 mVof pmf.
Pro většinu biologických membrán zabývající se syntézou ATP pmf hodnota leží mezi 120 a 200 mv ( mezi 11.6 and19.3 kJ mol-1).

1) Nicholls, D. G. a S. J. Ferguson. Bioenergetika 2, Londýn: Academic Press, 1992. 2) přednáška o elektrochemickém potenciálu Prof. A. R. Crofts 3) Cramer, W. A. and D. B. Knaff. EnergyTransduction v Biologických Membránách: Učebnice Bioenergetika, Springer-VerlagNew York/Berlín/Londýn

Rotační katalýza

katalytický mechanismus ATP synthasemost pravděpodobně zahrnuje otáčení Gama podjednotky spolu s subunitEpsilon a c-subunitoligomer ve vztahu ke zbytku enzymu. Tato rotace byla experimentálně ukázána pro hydrolýzu ATP odpojenou od protontranslokace. Nedávné experimenty navíc odhalily, že pokud je Gammasubunit mechanicky nucen k rotaci, probíhá syntéza ATPDOKONCE i bez protonové translokace FO-části.
zdá se nejpravděpodobnější, že k takové rotaci dochází in vivo. Pro takový rotační mechanismus v intaktenzymu však za fyziologických podmínek neexistuje žádný přímý experimentální důkaz.
navrhovaný mechanismus je následující:

1. poháněn protonmotivnísíla, protony jsou přenášeny přes část enzymu fo. Tento přenos řídí rotaci C-podjednotkového kruhu vzhledem k podjednotkám a A b (podrobnosti viz zde).
2. rotace je předána Podjednotkám Gama a Epsilon, které jsou vázány na C-podjednotku. Rotace asymetrické podjednotky Gama mechanickyzpůsobuje konformační změny v alfa 3 Beta 3-hexameru. Každých 120 stupňů rotace podjednotky Gama vynucuje jedno ze 3 katalytických míst umístěných na rozhraní Alfa-Beta do otevřené konformace. Čerstvě syntetizovaná molekula ATP se uvolní a místo toho se váže fosfát a ADP. Vysoká afinita otevřeného sitetofosfátu narušuje rebinding ATP a podporuje ADP vazbu.
3. Rotace jde dál, Gama podjednotka změní další 120 degreesforcing další stránky do otevřené konformaci, a ADP andphosphate vázán na předchozí otevřené stránky jsou uzavřené a ATPsynthesis koná. Vytvořená molekula ATP se uvolní, kdyžgama podjednotka se otočí o 360 stupňů a znovu otevře místo.

1) W. Junge, H. Lill, andS. Engelbrecht. (1997) ATP synthase:anelectrochemical transducer with rotatory mechanics. Trends Biochem.Sci. 22(11):420-423, . 2) H. Wang and G. Oster. (1998) Energytransduction in the F1 motor of ATP synthase. Nature 396 (6708):279-282. 3) Weber, J., and Senior, A. E. (2003) ATPsynthesis driven by proton transport in F1FO-ATPsynthase. FEBS Lett. 545(1): 61-70. 4) Pěkné filmy na http://nature.berkeley.edu/~hongwang/Project/ATP_synthase/

Inhibitory ATP syntázy

ATP syntázy je specificky inhibován několika sloučeniny(organické i anorganické). Většina z těchto inhibitorů jsou velmi toxické, takže skvělé careand příslušná bezpečnostní opatření jsou nezbytné při práci s nimi (to není příliš překvapivé, že se nešťastný, když NAŠE ATP syntázy je blokován!).Většina inhibitorů je specifická buď pro Proton-translokující FO-část, nebo pro hydrofilní F1-část, takže níže uvedená část je odpovídajícím způsobem rozdělena.

Inhibitory FO

Oligomycin

Oligomycin

Oligomycin je inhibitor, který dal jméno „FO“ k membráně-vložené část ATP-syntázy. Dolní index písmeno “ O “ v FO (ne nula!) pochází z oligomycinové citlivosti tohoto hydrofobního fosforylačního faktoru v mitochondriích.
oligomycin se váže na rozhraní podjednotky A A C-kruhového oligomeru a blokuje translokaci rotačního protonu v FO. Pokud je enzym dobře spojen, aktivita F1je také blokována. Protože druhý fenomén, a podjednotky mitochondriální F1-portionthat spojuje F1 s FO byla pojmenována Oligomycin-Citlivost Svěřují Bílkovin (OSCP).Tato podjednotka je nezbytná pro dobré spojení mezi F1 a FO a činí atpázovou aktivitu F1 citlivou na oligomycin inhibitoru fo, odtud název.
oligomycin je specifický pro mitochondriální ATP syntázu a v mikromolárních koncentracích účinně blokuje transport protonů přes FO. Tento inhibitor funguje také v některých bakteriálních enzymů, které ukazují, highsimilarity na mitochondriální ATP syntázy, např. enzym z purpurové bakterie Rhodobacter capsulatus. Ale ATP syntáza z chloroplastů a většiny bakterií (včetně Escherichia coli) má nízkou citlivost na oligomycin.
je třeba také poznamenat, že oligomycin ve vysokých koncentracích také ovlivňuje aktivitu mitochondriálních F1.

DCCD

DCCD

DCCD (abbreviation for Dicyclohexylcarbodiimide; also known as DCC, as N,N‘-dicyclohexylcarbodiimide, as Bis(cyclohexyl)carbodiimide, and as 1,3-dicyclohexylcarbodiimide) is a small organic molecule thatcan covalently modify protonated carboxyl groups. Když přidal se k ATP syntázy při pH nad 8, DCCD téměř výhradně reaguje s karboxylovou skupinou zachovaných kyselé aminokyselinové zbytky podjednotku c (to je důvod, proč podjednotka c je někdy nazýván „DCCD-binding protein“). se zvýšenými pK, a proto může být protonované na tak vysoké pH. Modifikace karboxylové skupiny v jedné c-podjednotka je dost renderthe celý c-kroužek oligomeru neaktivní. Protože se DCCD kovalentně váže na c-podjednotku, je tato inhibice nevratná.
karboxylová skupina konzervovaného aminokyselinového zbytku v podjednotce c-podjednotka je přítomna vvšechny dosud známé ATP syntázy. DCCD je univerzální inhibitor, který může fungovat v bakteriálních, mitochondriálních a chloroplastových enzymech. Navíc Atpases transportující protony typu V A ajsou také citlivé na DCCD ze stejného důvodu. ATP syntázy transportující sodík jsou také účinně inhibovány DCCD.
při nižším pH (1 a inaktivuje ho. Takže tato sloučenina můžebýt považován za inhibitor jak FO, tak F1. Inhibice FOis je však vysoce specifická, dobře definovaná a vyžaduje mnohem nižší koncentraci DCCD, takže obvykle se tento inhibitor používá jako fo-specifický.