ATP-syntase (fof1-kompleks): detaljerede oplysninger om ATP-syntase

ATP-syntase ofte stillede spørgsmål

denne liste over Ofte stillede spørgsmål (Ofte Stillede Spørgsmål) om ATP-syntasen er skrevet med den antagelse, at læseren har en vis baggrundviden inden for biokemi, ensymologi og fysisk kemi.
dette er ikke en gennemgangsartikel eller noget af den slags; der er ingen referencer eller kreditter og ingen detaljeret beskrivelse af eksperimenterne, der ligger under hvert stykke information. Hvis du er interesseret i at fettinginto detaljer, bare skriv mig en e-mail (feniouk atpsynthase.info) og jeg vil være glad for at diskutere et af spørgsmåletnedenfor.
Anbefalet læsning tilføjes for nogle afsnit under” ” -sign.

Indholdsfortegnelse

korrekt navn
fysiologisk rolle af ATP-syntase
forskelle mellem F -, A -, V -, P-og E-Atpaser
arkitekturen og underenhedssammensætningen af ATP-syntase
reaktionen katalyserede
termodynamik af ATP-syntese/hydrolyse
drivkraft for ATP-syntese katalyseret af ATP-syntase.
Rotationskatalyse
inhibitorer af ATP-syntase
inhibitorer af Fo
inhibitorer af F1
Proton/ATP ratio
ATP-syntaseplacering
Hvor mange katalytiske steder har det?
Hvor hurtig er ATP-syntase?
Proton translokation gennem FO
Hvad er Beta DELSEED sekvens?
kan jeg få svar på et spørgsmål, der ikke er angivet her?

korrekt navn

ifølge nomenklaturen kaldes det “ATP phosphohydrolase (H+-transport)”. Navnet” ATP-syntase ” afspejler imidlertid den primære funktion af fsymet mereklart og i dag er mest udbredt.
det andet navn, der ofte blev brugt i fortiden,er “H+-ATPase”, undertiden en mere præcis “FOF1 H+-ATPase”. Efter opdagelsen af mange andretyper af ATP-drevne protonpumper disse gamle navne er mindre anvendte.
de andre navne, der blev brugt til ATP-syntase, er:
F1-ATPase
F-type ATPase eller simpelthen F-ATPase
H+-transport af ATPase
mitokondrie ATPase
koblingsfaktorer (F0, F1og CF1)
chloroplast ATPase
bakteriel Ca2+/Mg2+ATPase
ATP-syntasekompleks
kompleks V (fem)

fysiologisk rolle af ATP-syntase

for at gøre en lang historie kort er den primære funktion af ATP-syntase i de fleste organismer ATP-syntese. Deraf navnet. Imidlertid er i nogle tilfælde den omvendte reaktion, dvs.transmembran protonpumpningdrevet af ATP hydrolyse er vigtigere. Et typisk eksempel: anaerobe bakterier producerer ATP ved gæring, og ATP-syntase bruger ATP til at generere protonmotorisk kraft, der er nødvendig for iontransportog flagellamotilitet.
mange bakterier kan leve både fra gæring og respiration eller fotosyntese. I et sådant tilfælde ATP synthasefungerer på begge måder.
et vigtigt spørgsmål er at kontrollere ATP-drevet protonpumpeaktivitet af ATP-syntase for at undgå spild af ATP-hydrolyse under betingelser, hvor der ikke kan genereres protonmotorisk kraft (f.eks.). I så fald bliver ATP-hydrolyse et problem,fordi det hurtigt kan udveksle den intecellulære ATP-pool. For at undgå denne situation er alle ATP-syntaser udstyret med reguleringsmekanismer,der undertrykker atpaseaktiviteten, hvis der ikke er nogen protonmotorisk kraft. Graden af ATP hydrolyse hæmmelseafhænger af organismen. I planter (i kloroplaster), hvor det er nødvendigt at bevareatp pool gennem hele natten, er inhiberingen meget stærk: fsymet har næppe nogenatpaseaktivitet. I modsætning hertil i anaerobe bakterier, hvor ATP synhase er den vigtigstegenerator af protonmotorisk kraft, er en sådan inhibering meget svag. Mitokondriel ATP-syntase er et stedmellem.

forskelle mellem F-, A-, V-, P-og E-Atpaser

• “F-type ATPase” er bare et andet navn for ATP-syntase; bogstavet “F”kommer fra “phosphoryleringsfaktor”.F-Atpaser er til stede i bakterier, mitokondrier og kloroplaster. Deresstørre funktion er i de fleste tilfælde ATP-syntese på bekostning af den transmembranelektrokemiske protonpotentialeforskel. I nogle bakterier er den primære funktion imidlertid omvendt: denhydrolyserer ATP for at generere denne potentielle forskel. In vitro F-type atpaser kanoperere i begge retninger afhængigt af forsøgsbetingelserne.
  et par Na+-bakterielle F-Type Atpaser findes også.
• A-type Atpaser blev fundet i Archaea, deres funktion ligner den for F-TYPE ATP-syntase, men strukturelt ligner de meget V-type atpaser (se nedenfor).
• V-type H+-atpaser blev oprindeligt fundet i eukaryote vakuoler. Deres primære funktion er ATP-drevet proton (eller Na+) pumpning for at forsure vakuolinteriøret.
• P-type Atpaser (undertiden navngivet E1-E2 atpaser) pumpe en række afionerpå tværs af membranen og findes i bakterier og i mangeeukaryote celleorganeller.
• E-type Atpaser (bland ikke med E1-E2 atpaser!(se Herbertsimmermanns ecto-ATPase-hjemmeside for detaljer)

F -, A-og V-type Atpaser er multisubunitkomplekser, der ligner den samlede arkitektur og sandsynligvis har den samme kerne katalytiske mekanisme. I nogle tilfælde er det nødvendigt at foretage en undersøgelse for at sikre,at der ikke er nogen grund til at tro, at det er nødvendigt at foretage en undersøgelse for at sikre, at der ikke er nogen risiko for, at der er en risiko for, at der opstår en risiko for, at der opstår en risiko for, at der opstår en risiko for, at der opstår en risiko for, at der opstår en risiko for, at der opstår en risiko for, at der opstår en risiko for, at der opstår en risiko for, at der opstår en risiko for, at der opstår en risiko for, at der opstår en risiko.
de fælles træk for dem er: “champignon” form, heksameriskhydrofilt katalytisk domæne af alfa 3 Beta 3-type med Gamma-underenhed inde i den. Den katalytiske handling, der udføres af disse stoffer, omfatter ikke et phosphoryleret stof.
Den protontranslokerende del består af en ringformet underenheds oligomer (c-underenheds-oligomer i tilfælde af F-Type Atpaser); hver underenhed bærer en kritisk vigtig carbonkassegruppe omtrent midt i sin anden transmembraneliks. Denne carboksyl gruppe er direkte involveret iproton translokation.p-type Atpaser er en helt anden familie ofion-translokerende ATP-drevne pumper. De fleste af dem er også multisubunitmembrane proteiner; en stor f udfører både Atphydrolyse og ionpumpning. Der er mange forskellige underfamilier AFP-Type Atpaser, normalt klassificeret efter ion detransport. H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ag+ andAg2+, NN2+,Co2+, PB2+,Ni2+, Cd2+, Cu+ og Cu2+ pumpe p-ATPase er beskrevet.
under ATP-hydrolyse af en P-Atpasepå et bestemt stadium af katalytisk cyklus overføres fosfatet tilen af Asp-restene. 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) p-type ATPaseDatabase (af Kristian B. Alekssen, Institut for Bioinformatik) 3 ) Kavasaki-Nishi S, Nishi T, Forgac M. (2003) Protontranslokation drevet af ATP hydrolyse i V-atpaser. FEBS Lett . 545(1): 76-85. 4) Pertsov N, Padler-Karavani V, Nelson H, Nelson N. (2001) funktioner afv-atpaser, der adskiller dem fra F-atpaser. FEBS Lett. 504(3): 223-8.

arkitekturen og underenhedssammensætningen af ATP-syntase

ATP-syntase er et stort svampeformet asymmetrisk proteinkompleks. Tegneserien nedenfor) består af 8subunit typer, afsom 5 danner den katalytiske hydrofile F1-del (svampens “hætte”). Disse underenheder er navngivet med græske bogstaver (Alfa,Beta, Gamma, Delta og Epsilon) i overensstemmelse med deres molekylærevægt. Den protontranslokerende FO-del er sammensat afsubenheder af 3 typer med navnet A, b og c.

den katalytiske del af ATP-syntase (F1) er dannet af en byalpha 3beta 3 sekskamer med gamma underenhed inde i det og epsilon fastgjort til gamma. Underenhed Delta er bundet til” toppen ” afundersøger og tosubunits b.det hydrofobe transmembrane segment af underenhed b er i kontakt med underenhed a.Underenheder Gamma og Epsilon af det katalytiske domæne er bundet til thering-formet oligomer af c-underenheder.Protontranslokation finder sted ved grænsefladen mellem underenheder a og c.
støkiometrien for underenhederne er:

Chloroplast ATP synthase and the enzyme from some photosyntheticbacteriahave 2 different, although similar, b-typesubunits in the protontranslocating FO portion, nemlig b og b’, en kopi af hver.
Høj homologi findes for de fleste af ATP-syntaseunderenhederne fradifferentbakterier og chloroplaster.
mitokondriel er meget mere kompleks; 17 forskellige typer afenheder er beskrevet i øjeblikket. Nogle af disse underenheder har høj homologi til bakterielle ogchloroplast modstykker, især underenheder alfa, Beta og Gamma i F1-delen og underenheder a og c i Foportionen. Mange underenheder er unikke for mitokondriel (se Underenheds Nomenklaturtabelfor detaljer).Imidlertid er den katalytiske og protontranslokerende “kerne” stadig meget homologisk til den for bakteriel og chloroplast ATPsynthase. Den overordnede topologi er også ret ens.

reaktionen katalyseret

ATP-syntase katalyserer ATP-syntese / hydrolyse koblet totransmembran proton transfer.In tilfælde af syntese energiindgangen kommer fra protonisk strømning gennem fo ned ad bakke den transmembranelektrokemiske protonpotentialeforskel ().I tilfælde af hydrolyse fungerer det som en ATP-drevet protonpumpeog genererer.
ligningen af reaktionen katalyseret er

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

indekserne “p” og “N” angiver de positivt og negativt ladede sider af koblingsmembranen.
pH-værdien er vigtig: pK-værdien for Pi2 – + H + <> Pi – er 7,2, mens detilsvarende pK-værdier for fosfat i ADP og ATP er tæt på 6,9.
dette betyder, at i pH-intervallet på 6,9 – 7,2 vil den fremherskende reaktion ikke omfatte fangst af protoner:

ADP3 – + Pi – + nH+P <> ATP4- + H2O+ nh+n ( pH 6,9-7,2 )

dog under pH = 6,9 ledsages den fremherskende reaktion igen ved 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. udgave) giver en værdi på -30 kJ mol – 1 (-7,16 kcal/mol) ved 37oCas en “biologisk” standard Gibbsfree energiændring (o) for dettereaktion. Dette er et rimeligt skøn for tal fra -28 til -36 kJmol-1kan findes i litteraturen, hvor den mest populære er -30,6 kJ mol-1(-7,3 kcal/mol).
standard Gibbsfree Energy change,o, er den samlede mængde energi, der enten er opbrugt eller frigivet under en kemisk reaktion under standardbetingelser, når de kemiske aktiviteter af alle reaktanter er lig med 1. I tilfælde af reaktioner i vandige opløsninger erstattes aktiviteterne normalt med koncentrationer (dvs.1 M); aktiviteten af selve vandet tages som 1. “Biologisk” standard Gibbsfree energiændring, o, er en lignendeparameter, men er defineret ved pH 7, dvs. koncentrationen af H+er ikke 1 M, men 10-7m.det er mere praktisk og praktisk,for de fleste biologiske reaktioner finder sted ved fysiologisk pH.
et meget vigtigt og undertiden ignoreret punkt er, at o er ikke den mængde energi, der er tilgængeligat drive andre endotermiske reaktioner icellen, fordi betingelserne i cellen ikke er standard(se definitionen ovenfor). Den faktiske Gibbs energiændring er
o’ + 2.3 RT log,
hvor CADP, CPi, CH+og CATP er de faktiske koncentrationer af de tilsvarende reaktanter, R er den molære gaskonstant (8.314 J mol-1K-1), ogt er temperaturen i Kelvins. For at gøre dette punkt klart, lad os overveje følgende eksempel medvilkårlige værdier, der er tæt på de virkelige intracellulærekoncentrationer:

Gibbs energiændring under sådanne forhold (temperatur 310oK eller 37oC) vil være
o’+ 2.3 rt log ( cadpcpi ch+ / catp )= -30 – 19.6 = – 49.6 kJ mol-1
dette tal,beregnet ud fra de faktiske koncentrationer af reaktionskomponenter, afspejler den energi, der er til rådighed som drivkraft for enhver anden proces koblet til ATP-hydrolyse under givne betingelser.
Det følger heraf, at den samme 49.6 kJ mol – 1 skal tilvejebringes af protontransporten over membranen ned ad det elektrokemiskegradient for at opretholde et så højt ATP/ADP-forhold. Hvis vi antager, at 3protoner transporteres pr.hvert syntetiseret ATP-molekyle, er atransmembran H+ elektrokemisk gradient på 49,6 / 3= 16,5 kJ mol-1(dvs. protonmotiveforce på 171 mV) nødvendigt.

konklusionen fra eksemplet ovenfor er:
den energi, der leveres af ATP-hydrolyse, er ikke fast (såvel somenergi nødvendig for at syntetisere ATP). Den første tilnærmelse afhænger af koncentrationerne af ADP, ATP, Piog på pH. denne energi øges logaritmisk ved fald i inADP-og Pi-koncentration og ved stigning i ATP-eller H+ – koncentration (= falder lineært med stigning i pH). Graferne nedenfor illustrerer dette punkt og viser ændring i efter ændringen i koncentrationen af en reaktant (aksen),forudsat at koncentrationerne af andre reaktanter holdes konstante værdier anvendt i eksemplet ovenfor (røde prikker angiver beregnet i dette eksempel).

for at lukke dette afsnit vil jeg gerne bemærke, at selv omtermodynamikken i ATP-syntesen beskrevet her kan virke retterekompleks, det er faktisk meget mere komplekst. Et punkt forsømt her Varde forskellige ADP-og ATP-protonationstilstande (se ovenfor), den anden er, at de faktiske substrater i reaktionenkatalyseret af ATP-syntase ikke er rene nukleotider, men deres magnesiumkomplekser. Men som magnesiumkoncentrationen i den levende celleer relativt høj, og pH er normalt Over 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-syntese katalyseret af ATP-syntase drives afden transmembrane elektrokemiske protonpotentialeforskel, sammensat af tokomponenter: den kemiske og den elektriske. Jo flere protoner er på den ene side af en membranrelativden anden, jo højere er drivkraften for en proton at krydse membranen. Da proton er en ladet partikel, påvirkes dens bevægelse også af elektrisk felt:transmembran elektrisk potentialeforskel vil drive protoner fra positivt ladet side til negativt ladet.

en vandmølle er en god analogi: forskellen mellem vandniveauernefør og efter dæmningen giver potentiel energi; ned ad bakke vandstrømroterer hjulet; rotationen bruges til at udføre noget arbejde (ATP-vandstrømning). div syntese i vorestilfælde).

kvantitativt måles i joule pr. mol (J mol-1) og defineres som:

= -F + 2.3 RT (pHP – pHN),

hvor “P” og “n” indekser angiver de positivt og negativt ladede sider af koblingsmembranen; F er Faraday konstant(96 485 c mol-1); R er den molære gaskonstant(8.314 j mol-1k-1),t er temperaturen i kelvinsog ertransmembran elektrisk potentialeforskel involverer. Værdien af fortæller, hvor meget energi der kræves (eller frigives afhængigt afretning af transmembran protonstrømmen) for at flytte 1 mol protonerpå tværs af membranen.
det er ofte mere praktisk at bruge ikke , men protonmotive force (pmf):

pmf = – /F = -2.3RT/F (pHP – pHN)

ved stuetemperatur (25oC) protonmotorisk kraft (inmillivolts, samt )er:

pmf = – 59 (PHP – phn)

i fravær af transmembran ph-forskel er PMF lig med den transmembranelektriske potentialeforskel og kan måles direkte ved hjælp af flereeksperimentelle teknikker (dvs.permeat ionfordeling,potentielle følsomme farvestoffer, Elektrokrom carotenoidbåndskift osv.).Hver pH-enhed i den transmembrane ph-gradient svarer til 59 mVof pmf.
For de fleste biologiske membraner, der beskæftiger sig med ATP-syntese, ligger PMF-værdien mellem 120 og 200mV ( mellem 11,6 og19,3 kJ mol-1).

1) Nicholls, D. G. og S. J. Ferguson. Bioenergetik 2, London: Akademisk Presse, 1992. 2) Et foredrag om elektrokemisk potentiale af Prof. A. R. Crofts 3) Cramer, V. A. og D. B. Knaff. Energitransduktion i biologiske membraner: en lærebog om bioenergetik, Springer-Verlagny York/Berlin/London

Rotary catalysis

The katalytisk mekanisme af ATP-synthasemest sandsynligt involverer rotation af gamma-underenhed sammen med Underenhedepsilon og C-underenhedoligomer i forhold til resten af f.eks. En sådan rotation vareksperimentelt vist for ATP hydrolyse afkoblet til protontranslocation. Desuden afslørede nylige eksperimenter, at hvis Gammasubunit mekanisk tvinges til rotation, ATP-syntese finder stedselv uden proton-translokerende FO-del.
det forekommer mest sandsynligt, at en sådan rotation finder sted in vivo. Der er dog ingen direkte eksperimentelle beviser for en sådan rotationsmekanisme i intaktensymet under fysiologiske forhold.
den foreslåede mekanisme er følgende:

1. drevet af protonmotiveforce overføres protoner gennem FO-delen af fo. Denne overførsel driver rotationen af c-subunitoligomerringen i forhold til a-og b-underenhederne (se her for detaljer).
2. rotationen overføres til Gamma-og Epsilon-underenheder, der er bundet til c-subunitoligomerringen. Rotationen af asymmetrisk Gamma-underenhed mekaniskforårsager konformationsændringer i alfa 3 Beta 3-sekskamer. Hver 120 grader af Gamma-underenhedens rotationkræver et af 3 katalytiske steder placeret ved Alfa-Beta-interface til anåbnet konformation. Frisk syntetiseret ATP molekyle frigives, ogphosphat og ADP er bundet i stedet. Høj affinitet af det åbnede sitetophosphat forringer rebinding af ATP og favoriserer ADP-binding.
3. Rotation går videre, Gamma-underenheden drejer yderligere 120 gradertvinge det næste sted i den åbne konformation, og ADP ogphosphatet bundet til det tidligere åbne sted er okkluderet, og atpsyntesen finder sted. Det dannede ATP-molekyle frigives, nårgamma-underenheden gør en 360 graders drejning og åbner igen stedet.

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) Nice film at http://nature.berkeley.edu/~hongwang/Project/ATP_synthase/

inhibitorer af ATP-syntase

ATP-syntase aktiviteten hæmmes specifikt af flere forbindelser(både organiske og uorganiske). De fleste af disse hæmmere er meget giftige, så stor forsigtighedog passende sikkerhedsforanstaltninger er vigtige, når du arbejder med dem (det er ikke meget overraskende, atvi bliver utilfredse, når vores ATP-syntase er blokeret!).De fleste inhibitorer er specifikke for enten proton-translokerende FO-del eller hydrofilf1-del, så afsnittet nedenfor er opdelt i overensstemmelse hermed.

inhibitorer af FO

Oligomycin

Oligomycin a

Oligomycin er inhibitoren, der gav navnet “FO” til den membranindlejrede del af den membranindlejrede del ATP-syntase. Abonnentbrevet ” O ” i FO(ikke nul!) kommer fra Oligomycinfølsomhed af denne hydrofobiskefosforyleringsfaktor i mitokondrier.
Oligomycin binder pågrænsefladen af underenheden A og C-RING oligomer og blokerer den roterende protontranslokation i FO. Hvis det er godt koblet, er aktiviteten af F1er også blokeret. På grund af sidstnævnte fænomen, a underenhed af mitokondrie F1-portionder forbinder F1 med FO blev navngivet Oligomycin-følsomhed, der giver Protein (OSCP).Denne underenhed er afgørende for god kobling mellem F1 og FO og gør ATPase-aktiviteten af F1 følsom over for fo-inhibitor oligomycin, deraf navnet.
Oligomycin er specifikt for mitokondrie ATP-syntase og i mikromolære koncentrationerblokker effektivt protontransport gennem FO. Denne hæmmer virker også i nogle bakterielle bakterier, der viser høj lighed med mitokondrie ATP-syntase, f.eks. Men ATP-syntase fra chloroplaster og fra de fleste bakterier (herunder Escherichia coli)har lav følsomhed overfor oligomycin.
det skal også bemærkes, at oligomycin i høje koncentrationer også påvirker aktiviteten af mitokondrie 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. Når det tilsættes til ATP-syntase ved pH over 8, reagerer DCCD næsten udelukkende med den konserverede sure aminosyrerest af underenhed c (det er grunden til, at underenhed c undertiden kaldes “dccd-bindende protein”). det har forhøjet pK og kan derfor protoneres ved en så høj pH. modifikation af carboksyl-gruppen i en enkelt c-underenhed er nok til at gørehele C-ring oligomeren inaktiv. Fordi DCCD kovalent binder til c-underenhed,er denne inhibering irreversibel.
gruppen af konserverede aminosyrerester i underenhed c-underenhed er til stede ialle hidtil kendte ATP-syntaser. Så DCCD er en universel hæmmer, der kan fungere i bakterielle, mitokondrie og chloroplast. Desuden er V-og A-type protontransporterende Atpasser også følsomme over for DCCD af samme grund. Natriumtransporterende ATP-syntaser hæmmes også effektivt af DCCD.
ved lavere pH (1 og inaktiverer det. Så denne forbindelse kanbetragtes som en hæmmer af både FO og F1. Imidlertid inhibering af FOis meget specifik, veldefineret og kræver meget lavere dccd-koncentration, så normalt bruges denne hæmmer som FO-specifik.