ATP Sintasa (complejo FoF1): Información detallada sobre la enzima

Preguntas frecuentes sobre ATP sintasa

Esta lista de Preguntas frecuentes (FAQ) sobre la ATP sintasa se escribe con la suposición de que el lector tiene algunos conocimientos básicos en bioquímica, enzimología y física química.
Este NO es un artículo de revisión o algo de ese tipo; no hay referencias o créditos, y no hay una descripción detallada de los experimentos que subyacen a cada pieza de información. Si está interesado en obtener detalles, escríbame un correo electrónico (feniouk atpsynthase.info) y estaré encantado de discutir cualquiera de las preguntas a continuación.
Lectura recomendada se añade para algunas secciones bajo el signo»«.

Tabla de contenido

Nombre correcto
Función fisiológica de la ATP sintasa
Diferencias entre las ATPasas F, A, V, P y E
La arquitectura y composición de subunidades de la ATP sintasa
La reacción catalizada
Termodinámica de la síntesis/hidrólisis de ATP
Fuerza impulsora de la síntesis de ATP catalizada por la ATP sintasa.
Catálisis rotativa
Inhibidores de la ATP sintasa
Inhibidores de la FO
Inhibidores de la relación protón / ATP
Ubicación de la ATP sintasa
¿Cuántos sitios catalíticos tiene la enzima?¿Qué tan rápido es la ATP sintasa?
Translocación de protones a través de FO
¿Qué es la secuencia Beta de DELSEED?¿Puedo obtener una respuesta a una pregunta que no aparece aquí?

Nombre correcto

De acuerdo con la nomenclatura de la IUBMBEnzima, la enzima se llama «ATP fosfohidrolasa (transportadora de H+)». Sin embargo, el nombre»ATP sintasa» refleja la función primaria de la enzima más claramente y hoy en día es más amplia.
El otro nombre que se usaba comúnmente en el pasado es «H + – ATPasa», a veces un nombre más preciso»FOF1 H+-ATPasa». Después del descubrimiento de muchos otros tipos de bombas de protones impulsadas por ATP, estos nombres antiguos se usan menos.
Los otros nombres que se utilizaron para la ATP sintasa son:
F1-ATPasa
FOF1-ATPasa
ATPasa de tipo F o simplemente F-ATPasa
ATPasa transportadora de H+
ATPasa mitocondrial
factores de acoplamiento (F0, F1 y CF1)
ATPasa de cloroplastos
Ca2+/Mg2+ATPasa bacteriana
Complejo ATP sintasa
Complejo V (cinco)

Función fisiológica de la ATP sintasa

Para resumir, la función principal de la ATP sintasa en la mayoría de los organismos es la síntesis de ATP. De ahí el nombre. Sin embargo, en algunos casos, la reacción inversa, es decir, la bomba de protones transmembrana potenciada por hidrólisis de ATP, es más importante. Un ejemplo típico: las bacterias anaerobias producen ATP porfermentación, y la ATP sintasa utiliza ATP para generar la fuerza motriz de protones necesaria para el transporte iónico y la motilidad de los flagelos.Muchas bacterias pueden vivir tanto de la fermentación como de la respiración o de la fotosíntesis. En tal caso, funciones de síntesis de ATP en ambos sentidos.Un problema importante es controlar la actividad de bombeo de protones de la ATP sintasa impulsada por ATP para evitar una hidrólisis de ATP derrochadora en condiciones en las que no se puede generar fuerza motriz de protones (por ejemplo, membrana dañada por fugas, desenganche presente, etc.).). En tal caso, la hidrólisis de ATP se convierte en un problema,ya que puede intercambiar rápidamente el grupo de ATP intecelular. Para evitar esta situación, todas las ATP sintasas están equipadas con mecanismos reguladores que suprimen la actividad de la ATPA si no hay fuerza protonmotriz presente. El grado de inhibición de hidrólisis de ATP depende del organismo. En las plantas (en los cloroplastos), donde es necesario conservar la piscina de grasa durante toda la noche, la inhibición es muy fuerte: la enzima apenas tiene actividad de grasa. Por el contrario, en bacterias anaerobias donde la sinhasa ATP es el generador de fuerza protonmotriz, dicha inhibición es muy débil. La ATP sintasa mitocondrial está en algún lugar intermedio.

Diferencias entre las ATPasas F, A, V, P y E

• «ATPasa de tipo F» es solo otro nombre para la ATP sintasa; la letra «F»proviene de «factor de fosforilación».Las F-ATPasas están presentes en bacterias, mitocondrias y cloroplastos. La función principal en la mayoría de los casos es la síntesis de ATP a expensas de la diferencia de potencial de protones electroquímicos transmembranarios. En algunas bacterias, sin embargo, la función principal de la enzima se invierte: ithidroliza el ATP para generar esta diferencia de potencial. Las atpasas de tipo F in vitro pueden operar en ambas direcciones dependiendo de las condiciones experimentales. También se encuentran algunas ATPasas bacterianas tipo F Na+.
• Las ATPasas de tipo A se encontraron en las Arqueas, su función es similar a la de la ATP sintasa de tipo F, pero estructuralmente son muy similares a las ATPasas de tipo V (ver más abajo).
• Las atpasas H+de tipo V se encontraron inicialmente en vacuolas eucarióticas. Su función primaria es el bombeo de protones (o Na+) impulsado por ATP para acidificar el interior del vacuol.
• Las ATPasas de tipo P (a veces llamadas ATPasas E1-E2) bombean una variedad de iones a través de la membrana y se encuentran en bacterias y en muchos orgánulos celulares eucarióticos.
• ATPasas de tipo E (¡no mezcle con ATPasas E1-E2!) es una familia de enzimas que hidrolizan extracelularatp (ver la página web de Ecto-ATPasa de HerbertZimmermann para más detalles)

Las ATPasas de tipo F, A y V son complejos de múltiples unidades, similares en términos de arquitectura general, y muy probablemente tienen el mismo mecanismo catalítico central. El transporte de protones transmembranarios (o Na + en algunas F-ATPasas), logrado por la rotación de un complejo de ciertas subunidades en relación con el resto de la enzima, con atfidrolisis (o síntesis en A – y F-ATPasas).
Las características comunes para ellos son: forma de» hongo», dominio catalítico hexameridrofílico de tipo Alfa 3 Beta 3 con subunidad Gamma en su interior. El acto catalítico realizado por estas enzimas no incluye un enzimointermediado fosforilado.La porción de translocación de protones de esas enzimas está compuesta por un oligómero de subunidad en forma de anillo (subunitoligómero c en el caso de ATPasas de tipo F); cada subunidad tiene un grupo carboxilo críticamente importante aproximadamente en el medio de su segundo eje transmembranoso. Este grupo carboxilo está directamente involucrado en la translocación de protones.Las ATPasas de tipo P son una familia bastante diferente de bombas impulsadas por ATP translocantes de iones. La mayoría de ellas también son proteínas de membrana multisubunitales; una f grande realiza tanto la atfidrolisis como el bombeo de iones. Hay muchas subfamilias diferentes de ATPasas de tipo P, generalmente clasificadas de acuerdo con el transporte de iones. Se describen H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ag+ andAg2+, Zn2+,Co2+, Pb2+,Ni2+, Cd2+, Cu+ y Cu2+ P-ATPasa de bombeo.
Durante la hidrólisis de ATP por una P-ATPasa en una determinada etapa del ciclo catalítico, el fosfato se transfiere a uno de los residuos de Asp de la enzima. 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) ATPaseDatabase de tipo P (Por Kristian B. Alexsen, Instituto Suizo de Bioinformática) 3 ) Kawasaki-Nishi S, Nishi T, Forgac M. (2003) Translocación de protones impulsada por hidrólisis de ATP en V-ATPasas.FEBS Lett. 545(1): 76-85.4) Perzov N, Padler-Karavani V, Nelson H, Nelson N. (2001) Características de las V-ATPasas que las distinguen de las F-ATPasas. FEBS Lett. 504(3): 223-8.

La arquitectura y la composición de subunidades de la ATP sintasa

La ATP sintasa es un complejo proteico asimétrico con forma de hongo grande. La enzima bacteriana más simple (ver la caricatura a continuación) está compuesta de 8 tipos de unidades, de las cuales 5 forman la porción F1 hidrófila catalítica (la «tapa»del hongo). Estas subunidades se nombran con letras griegas (Alfa, Beta, Gamma, Delta y Epsilon) de acuerdo con su peso molecular. La porción de translocación de protones FO se compone de unidades de 3 tipos llamadas a, b y c.

La porción catalítica de ATP sintasa (F1) se forma byAlpha 3Beta 3 hexámero con subunidad Gamma en su interior y Epsilon Unido a la Gamma. La subunidad Delta está unida a la «parte superior» del exámero y a las subunidades b. El segmento transmembrana hidrofóbico de la subunidad b está en contacto con la subunidad a.Las subunidades Gamma y Epsilon del dominio catalítico se unen al oligómero en forma de thering de las subunidades c.La translocación de protones tiene lugar en la interfaz de las subunidades a y c.
La estequiometría de las subunidades es:

Chloroplast ATP synthase and the enzyme from some photosyntheticbacteriahave 2 different, although similar, b-typesubunits in the protontranslocating FO portion, es decir, b y b’, una copia de cada uno.
Se encuentra una alta homología para la mayoría de las subunidades de ATP sintasa de diferentes bacterias y cloroplastos.
La enzima mitocondrial es mucho más compleja; en este momento se describen 17 tipos diferentes de subunidades. Algunas de estas subunidades tienen una alta homología a las contrapartes bacterianas y cloroplásticas, especialmente las subunidades Alfa, Beta y Gamma en la porción F1 y las subunidades a y c en la FOporción. Muchas subunidades son únicas para la enzima mitocondrial (ver Tabla de Nomenclatura de Subunidades para más detalles).Sin embargo, el «núcleo» de translocación catalítica y de protones de la enzima sigue siendo altamente homológico al de la atpsintasa bacteriana y cloroplástica. La topología general de la enzima también es bastante similar.

La reacción catalizada

La ATP sintasa cataliza la síntesis de ATP / hidrólisis acoplada al protón de la transmembrana transfer.In caso de síntesis la entrada de energía proviene del flujo protónico a través de FO cuesta abajo de la diferencia de potencial electroquímico de protones transmembrana ().En caso de hidrólisis, la enzima funciona como una bomba de protones impulsada por ATP y genera .
La ecuación de la reacción catalizada es

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

Los índices «P» y «N» indican los lados con carga positiva y negativa de la membrana de acoplamiento.
El valor de pH es importante: el valor pK para Pi2- + H+<> Pi – es 7.2, mientras que los valores PK correspondientes para fosfato en ADP y ATP son cercanos a 6.9.
Esto significa que en el intervalo de pH de 6.9-7.2 la reacción previa no incluirá la captura de protones:

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

Sin embargo, por debajo de pH = 6.9, la reacción prevaleciente se acompaña de nuevo por prototrapping:

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, 2a edición) da un valor de -30 kJ mol-1 (-7,16 kcal/mol) a 37ocasde un cambio de energía libre de Gibb estándar «biológico» (o) para esta reacción. Esta es una estimación razonable, para cifras de -28 a -36 kJmol-1 se pueden encontrar en la literatura, la más popular es -30,6 kJ mol-1(-7,3 kcal/mol).
El cambio de energía libre de gibones estándar, o, es la cantidad total de energía que se consume o libera durante una reacción química en condiciones estándar cuando las actividades químicas de todos los reactivos son iguales a 1. En el caso de reacciones en soluciones acuosas, las actividadesse sustituyen generalmente por concentraciones (es decir, 1 M); la actividad del agua misma se toma como 1. El cambio de energía libre de gibones estándar» biológico», o, es un parámetro similar, pero se define a pH 7, es decir,la concentración de H+no es de 1 M, sino de 10 a 7 M. Es más práctico y conveniente, ya que la mayoría de las reacciones biológicas tienen lugar a pH fisiológico.
Un punto muy importante, y a veces ignorado, es que o no es la cantidad de energía disponible para conducir otras reacciones endotérmicas en la célula, porque las condiciones en la célula no son estándar(consulte la definición anterior). El cambio de energía real de Gibbs es
o’+ 2.3 RT log, donde CADP,CPi, CH+y CATP son las concentraciones reales de los reactivos correspondientes,R es la constante de gas molar(8.314 J mol-1K-1), y T es la temperatura en Kelvin. Para aclarar este punto, consideremos el siguiente ejemplo con los valores de los bancos que están cerca de las concentraciones intracelulares reales:

El cambio de energía de Gibbs en tales condiciones (temperatura 310oK o 37oC) será
o’+ 2,3 RT log ( CADPCPi CH+ / CATP )= -30 – 19,6 = – 49,6 kJ mol-1
Esta cifra,calculada a partir de las concentraciones reales de los componentes de acción, refleja la energía disponible como fuerza motriz para cualquier otro proceso acoplado a hidrólisis de ATP en determinadas condiciones.Se deduce que el mismo 49.El transporte de protones a través de la membrana por el gradiente electroquímico debe proporcionar 6 kJ mol-1 para mantener una relación ATP/ADP tan alta. Si asumimos que se transportan 3 protones por cada molécula de ATP sintetizada, es necesario un gradiente electroquímico H+ de la transmembrana de 49,6 / 3= 16,5 kJ mol-1(es decir, fuerza motiva de protones de 171 mV).

La conclusión del ejemplo anterior es:
La energía proporcionada por la hidrólisis de ATP no es fija (así como la energía necesaria para sintetizar ATP). La primera aproximación depende de las concentraciones de ADP, ATP, Pi y del pH. Esta energía aumenta logarítmicamente al disminuir la concentración de inADP y Pi y al aumentar la concentración de ATP o H+ (=disminuye linealmente con el aumento del pH). Los gráficos a continuación ilustran este punto, mostrando el cambio en el tras el cambio en la concentración de un reactivo (eje x), asumiendo que las concentraciones de otros reactivos se mantienen constantes en los valores utilizados en el ejemplo anterior (los puntos rojos indican el calculado en este ejemplo).

Para cerrar esta sección, me gustaría señalar que aunque la termodinámica de la síntesis de ATP descrita aquí puede parecer compleja, en realidad es mucho más compleja. Un punto descuidado aquí fueron los diferentes estados de protonación ADP y ATP (véase más arriba), el otro es que los sustratos reales en la reacción catalizados por la ATP sintasa no son nucleótidos puros, sino sus complejos magnésicos. Sin embargo, como la concentración de magnesio en la célula viva es relativamente alta y el pH suele estar por encima de 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.

La síntesis de ATP catalizada por la ATP sintasa es impulsada por la diferencia de potencial electroquímico de protones transmembrana, compuesta de dos componentes: el químico y el eléctrico. Cuantos más protones haya en un lado de una membrana relativa al otro, mayor será la fuerza motriz para que un protón atraviese la membrana. Como el protón es una partícula cargada, su movimiento también está influenciado por el campo eléctrico: la diferencia del potencial eléctrico transmembrana impulsará a los protones del lado cargado positivamente al lado cargado negativamente.

Un molino de agua es una buena analogía: la diferencia entre los niveles de agua antes y después de la presa proporciona energía potencial; el flujo de agua cuesta abajo rota la rueda; la rotación se usa para realizar algunos trabajos (Síntesis de ATP en nuestro estuche).

Cuantitativamente se mide en Julios por mol (J mol-1) y isdefined como:

= -F + 2.3 RT (pHP – pHN),

donde y los índices «N» denotan los lados con carga positiva y negativa de la membrana de acoplamiento; F es la constante de Faraday(96 485 C mol-1); R es la constante de gas molar(8.314 J mol-1K-1),T es la temperatura en grados Kelvin, y es la diferencia de potencial eléctrico de la transmembrana. El valor de indica cuánta energía se requiere (o se libera, dependiendo de la dirección del flujo de protones transmembrana) para mover 1 mol de protones a través de la membrana.
a menudo es más conveniente el uso de , pero protonmotive fuerza (pmf):

pmf = – /F = -2.3RT/F (pHP – pHN)

A temperatura ambiente (25oC), la fuerza protonotriz (inmillivolts,así como )es:

pmf = – 59 (pHP – pHN)

En ausencia de diferencia de pH transmembrana, pmf es igual a la diferencia de potencial eléctrico transmembrana y se puede medir directamente mediante varias técnicas experimentales (por ejemplo, distribución de iones permeados, tintes sensibles al potencial, desplazamiento de bandas de carotenoides electrocrómicos, etc.).Cada unidad de pH del gradiente de pH transmembrana corresponde a 59 mVof pmf.
Para la mayoría de las membranas biológicas dedicadas a la síntesis de ATP, el valor de pmf se encuentra entre 120 y 200mV ( entre 11,6 y 19,3 kJ mol-1).

1) Nicholls, D. G. y S. J. Ferguson. Bioenergetics 2, Londres:Academic Press, 1992. 2) Una conferencia sobre el potencial electroquímico por el Prof. A. R. Crofts 3) Cramer, W. A. and D. B. Knaff. Transferencia de energía en Membranas Biológicas: Un libro de texto de Bioenergética, Springer-VerlagNew York/Berlin/London

Catálisis rotativa

El mecanismo catalítico de La síntesis de ATP probablemente involucra la rotación de la subunidad Gamma junto con la subunitEpsilón y el subunitoligómero c en relación con el resto de la enzima. Tal rotación se mostró experimentalmente para la hidrólisis de ATP desacoplada a la localización de prototransferencia. Además, experimentos recientes revelaron que si la Gammasubunidad es forzada mecánicamente a la rotación, la síntesis de ATP se lleva a cabo incluso sin translocación de protones en la FO-porción.Parece más probable que dicha rotación tenga lugar in vivo. Sin embargo, no hay evidencia experimental directa de tal mecanismo rotatorio en la intactenzima bajo condiciones fisiológicas.
El mecanismo propuesto es el siguiente:

1. Impulsado por la fuerza motiva de protones, los protones se transfieren a través de la porción FO de la enzima. Esta transferencia impulsa la rotación del anillo de subunitoligómero c en relación con las subunidades a y b (vea aquí para más detalles).
2. La rotación se pasa a las subunidades Gamma y Epsilon que están unidas al anillo de subunitoligómero c. La rotación de la subunidad Gamma asimétrica provoca mecánicamente cambios conformacionales en Alfa 3 Beta 3-hexámero. Cada 120 grados de rotación de la subunidad Gamma fuerza uno de los 3 sitios catalíticos ubicados en la interfaz Alfa-Beta en una conformación abierta. La molécula de ATP recién sintetizada se libera, y el fosfato y el ADP se unen en su lugar. La alta afinidad del sitetofosfato abierto deteriora la unión del ATP y favorece la unión del ADP.
3. La rotación va más allá, la subunidad Gamma convierte otros 120 grados forzando el siguiente sitio en la conformación abierta, y el ADP y el fosfato unidos al sitio abierto anterior se ocluyen y se lleva a cabo la síntesis AT. La molécula de ATP formada se libera cuando la subunidad Gamma hace un giro de 360 grados y una vez más abre el sitio.

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) Agradable películas en http://nature.berkeley.edu/~hongwang/Project/ATP_synthase/

Inhibidores de la sintasa de ATP

ATP sintasa actividad es inhibida específicamente por varios compuestos(orgánicos e inorgánicos). La mayoría de estos inhibidores son muy tóxicos, por lo que un gran cuidado y las precauciones de seguridad adecuadas son esenciales cuando se trabaja con ellos (¡no es muy sorprendente que no estemos contentos cuando se bloquea NUESTRA ATP sintasa!).La mayoría de los inhibidores son específicos para la porción FO de translocación de protones o la porción hidrofílica F1, por lo que la sección siguiente se divide en consecuencia.

Inhibidores de FO

Oligomicina

Oligomicina A

La oligomicina es el inhibidor que dio el nombre de «FO» a la porción de membrana incrustada de ATP sintasa. La letra subíndice » O » en FO (¡no cero!) proviene de la sensibilidad de la oligomicina de este factor de fosforilación hidrofóbica en las mitocondrias. La oligomicina se une a la interfaz de la subunidad a y el oligómero del anillo c y bloquea la translocación rotatoria de protones en FO. Si la enzima está bien acoplada, la actividad de F1 también se bloquea. Debido a este último fenómeno, una subunidad de la porción mitocondrial F1 que conecta F1 con FO fue llamada Proteína Conferidora de Sensibilidad a Oligomicina (OSCP).Esta subunidad es esencial para un buen acoplamiento entre F1 y FO y hace que la actividad ATPasa de F1 sea sensible a la oligomicina, inhibidor de FO, de ahí el nombre.La oligomicina es específica para la ATP sintasa mitocondrial y en la concentración micromolar bloquea de forma efectiva el transporte de protones a través de la FO. Este inhibidor también funciona en algunas enzimas bacterianas que muestran una alta similitud a la ATP sintasa mitocondrial, por ejemplo, la enzima de la bacteria púrpura Rhodobacter capsulatus. Pero la ATP sintasa de cloroplastos y de la mayoría de las bacterias (incluida Escherichia coli)tiene una sensibilidad baja a la oligomicina.También debe tenerse en cuenta que la oligomicina en altas concentraciones también afecta la actividad de la F1 mitocondrial.

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. Cuando se agrega a la ATP sintasa a un pH superior a 8, la DCCD reacciona casi exclusivamente con el grupo carboxilo del residuo de aminoácido ácido conservado de la subunidad c (es por eso que la subunidad c a veces se llama «proteína de unión a DCCD»). la modificación del grupo carboxilo en una sola subunidad c es suficiente para que todo el oligómero del anillo c quede inactivo. Debido a que DCCD se une covalentemente a la subunidad c,esta inhibición es irreversible. El grupo carboxilo del residuo de aminoácido conservado en la subunidad c-subunidad está presente en todas las ATP sintasas conocidas hasta ahora. Por lo tanto, el DCCD es un inhibidor universal que puede funcionar en enzimas bacterianas, mitocondriales y cloroplásticas. Además, las ATPAS transportadoras de protones de tipo V y A también son sensibles a DCCD por la misma razón. Las ATP sintasas transportadoras de sodio también son inhibidas de manera efectiva por DCCD.
A pH inferior (1 e inactiva. Por lo tanto, este compuesto puede considerarse un inhibidor de FO y F1. Sin embargo, la inhibición de FOis es altamente específica, bien definida y requiere una concentración de DCCD mucho más baja, por lo que generalmente este inhibidor se usa como FO-específico.