ATPシンターゼ(Fof1-complex):酵素に関する詳細情報

ATPシンターゼFAQ

ATPシンターゼに関するよくある質問（FAQ）のこのリストは、読者が生化学、酵素学、および物理化学におけるいくつかのbackgroundknowledgeを持っていることを前提に書かれている。
これはレビュー記事ではなく、そのようなものではありません。 あなたはgettingintoの詳細に興味がある場合は、ちょうど私に電子メール（feniouk）を書いてくださいatpsynthase.info）そして、私はquestionsbelowのいずれかを議論するために喜んでいるでしょう。
推奨読書は、”“-記号の下にいくつかのセクションのために追加されます。

コンテンツの表

正しい名前
ATPシンターゼの生理学的役割
F-、A-、V-、P-、およびE-Atpaseの違い
ATPシンターゼのアーキテクチャとサブユニ
回転触媒
ATPシンターゼの阻害剤
FOの阻害剤
F1の阻害剤
プロトン/ATP比
ATPシンターゼの位置
酵素はいくつの触媒部位を持っていますか？
ATPシンターゼはどのくらいの速さですか？
Foを介したプロトン転座
ベータDELSEED配列とは何ですか？
ここに記載されていない質問の答えを得ることはできますか？IUBMBEnzyme命名法によれば、この酵素は”ATPホスホヒドロラーゼ（H+-輸送）”と呼ばれています。 しかし、”ATPシンターゼ”という名前は、この酵素の主な機能をより明確に反映しており、今日では最も広く普及している。
過去に一般的に使用されていた他の名前は”H+-ATPase”、時にはより正確な”FOF1H+-ATPase”です。 他の多くの発見の後ATP駆動プロトンポンプのタイプは、これらの古い名前はあまり使用されていません。
ATPシンターゼに使用された他の名前は次のとおりです。
F1-ATPase
FOF1-ATPase
F型ATPaseまたは単にF-ATPase
H+輸送ATPase
ミトコンドリアATPase
カップリング因子(F0,F1And CF1)
葉緑体ATPase
細菌Ca2+/Mg2+ATPase
ATPシンターゼ複合体
複合体V(five)

atpシンターゼの生理学的役割

長い話を短くするために、ほとんどの生物におけるAtpシンターゼの主な機能はatp合成です。 したがって、名前。 しかし、逆反応、すなわちATP加水分解による膜貫通プロトンポンプがより重要である場合もある。 典型的な例としては、嫌気性細菌は発酵によってATPを産生し、ATPシンターゼはATPを用いてイオン輸送と鞭毛運動に必要なプロトン運動力を生成する。
多くの細菌は、発酵と呼吸または光合成の両方から生きることができます。 そのような場合、ATP合成両方の方法で機能する。
重要な問題は、atp合成酵素のATP駆動プロトンポンプ活性を制御することであり、プロトン起電力が発生しない条件下での無駄なATP加水分解を回避す). このような場合、ATP加水分解は細胞内ATPプールを迅速に交換することができるため、問題となる。 このような状況を回避するために、すべてのATP合成酵素は、プロトン起電力が存在しない場合にAtpアーゼ活性を抑制する調節機構を備えている。 ATP加水分解抑制の程度生物に依存する。 植物（葉緑体中）では、一晩中atpプールを保存する必要がある場合、阻害は非常に強く、酵素はatpase活性をほとんど有していない。 対照的に、ATP synhaseがプロトン起電力の主発電機である嫌気性細菌では、そのような阻害は非常に弱い。 ミトコンドリアATPシンターゼは中間のどこかにある。

F-、A-、V-、P-、およびE-Atpaseの違い

• 「F型ATPase」はATP合成酵素の単なる別の名前です。F-Atpaseは、細菌、ミトコンドリアおよび葉緑体に存在する。 ほとんどの場合、それらのmajor機能は、膜貫通電気化学プロトン電位差を犠牲にしてATP合成である。 しかしある細菌では酵素の第一次機能は逆転します:この電位差を発生させるためにITHYDROLYZES ATP。 ＩｎｖｉｔｒｏのＦ型Ａｔｐアーゼは実験条件に応じて両方向に作用する。
  いくつかのNa+-細菌のF型Atpaseも発見されている。
• A型Atpアーゼは古細菌で発見され、その機能はF型ATPシンターゼの機能と似ていますが、構造的にはV型Atpアーゼと非常に似ています（下記参照）。
• v型H+-Atpaseは、最初は真核生物の液胞で発見されました。 それらの主な機能は、空胞内部を酸性化するためのATP駆動プロトン（またはNa+）ポンピングである。
• P型Atpアーゼ（E1-E2Atpアーゼとも呼ばれる）は、細菌や多核生物の細胞小器官に見られる様々なタイプのAtpアーゼである。
• E型Atpase（E1-E2Atpaseと混合しないでください！ F-、A-、およびV型Atpaseはマルチサブユニット複合体であり、overallarchitectureの点で類似しており、おそらく同じコア触媒機構を持っています。 二重膜貫通プロトン（またはいくつかのF-AtpaseではNa+）輸送は、酵素の残りの部分に対する特定のサブユニット複合体の回転によって達成され、ATPhydrolysis（またはA-およびF-Atpaseでの合成）を伴う。
  それらの共通の機能は次のとおりです: “キノコ”の形は、その中にガンマサブユニットを持つΑ3Β3型のヘキサメリックヒドロフィリックス触媒ドメイン。 これらの酵素によって行われる触媒作用は、リン酸化酵素を含まない。
  これらの酵素のプロトン移動部分は、リング状のサブユニットオリゴマー（F型Atpアーゼの場合はc-サブユニットオリゴマー）で構成されており、それぞれのサブユニットは、その第二の膜貫通ヘリックスのほぼ中央に非常に重要なカルボキシル基を有する。 このカルボキシル基はプロトン転座に直接関与する。
  P型Atpアーゼ(P-type Atpase)は、ATP駆動型ポンプの全く異なるファミリーである。 それらのほとんどはまた、多サブユニット膜タンパク質であり、一つの大きなfは、ATPhydrolysisとイオンポンピングの両方を実行します。 Atpアーゼには多くの異なるサブファミリーが存在し、通常はイオン輸送によって分類される。 H+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Ag+andag2+、Zn2+、Co2+、Pb2+、Ni2+、Cd2+、Cu+およびCu2+ポンピングP-ATPaseが記載されています。
  P-AtpによるATP加水分解の間、触媒サイクルの特定の段階でリン酸塩が酵素のAsp残基の一つに移される。 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型ATPaseDatabase(By Kristian B.Alexsen,Swiss Institute of Bioinformatics) 3)Kawasaki-Nishi S,Nishi T,Forgac M.(2003)V-AtpaseにおけるATP加水分解によるプロトン移動。 FEBS Lett. 545(1): 76-85. 4)Perzov N,Padler-Karavani V,Nelson H,Nelson N.(2001)F-Atpaseと区別するv-Atpaseの特徴。 FEBS Lett. 504(3): 223-8.

  ATPシンターゼのアーキテクチャとサブユニット組成

  ATPシンターゼは、大きなキノコ形の非対称タンパク質複合体である。 この酵素は8つのサブユニットから構成されており、そのうち5つは触媒的な親水性F1-部分（キノコの”キャップ”）を形成する。 これらのサブユニットは、その分子量に応じてギリシャ文字（アルファ、ベータ、ガンマ、デルタ、イプシロン）で命名されています。 プロトン移動FO部分は、a、b、cの3種類からなる。

  サブユニットの化学量論は次のとおりである:

  F1		FO
  Alpha	3	a	1
  Beta	3	b	2
  Gamma	1	c	10-15(?)
  Delta	1
  Epsilon	1

  Chloroplast ATP synthase and the enzyme from some photosyntheticbacteriahave 2 different, although similar, b-typesubunits in the protontranslocating FO portion, すなわち、bおよびb’、それぞれのコピー。
  ATPシンターゼサブユニットの大部分には、異なる細菌および葉緑体から高い相同性が見出される。
  現時点では17種類の種類が記載されている。 これらのサブユニットの中には細菌や細菌と高い相同性を持つものもあり、特にF1のサブユニットΑ、Β、Γ、F1のサブユニットa、cと高い相同性を持つものもある。 多くのサブユニットはミトコンドリア酵素に固有のものである（詳細はサブユニット命名表を参照）。しかし、この酵素の触媒的およびプロトン移動する”コア”は、細菌および葉緑体のATPsynthaseのそれと非常に相同性がある。 酵素の全体的なトポロジーも非常に類似している。

  反応触媒

  ATP合成酵素は、ATP合成/加水分解を触媒する。transfer.In 合成の場合エネルギー入力は、膜貫通電気化学プロトン電位差（）を介してプロトン流束から来る。加水分解の場合、酵素はATP駆動プロトンポンプとして機能し、を生成する。
  触媒反応の式は

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

  “p”と”n”のインデックスは、カップリング膜の正と負に帯電した側面を示します。
  pH値は重要です: Pi2-+H+<>Pi-のpK値は7.2であり、ADPおよびATPのリン酸塩の応答pK値は6.9に近い。
  これは、6.9-7.2のpH間隔では、プロトンのトラップは含まれないことを意味します。

  ADP3-+Pi-+nH+P<>ATP4-+H2O+nH+N(ph6.9-7.2)

  しかし、ph=6.9以下では、一般的な反応が再びプロトントラッピングによって付随しています:

  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、第2版）は、この反応に対して、「生物学的」標準ギブスフリーエネルギー変化（o）で-30kJ mol-1（-7.16kcal/mol）の値を37oCasで与える。 これは合理的な推定値であり、-28から-36kJmol-1までの数値は文献で見つけることができ、最も一般的なものは-30.6kJ mol-1（-7.3kcal/mol）である。
  標準的なGibbsfreeエネルギー変化、oは、すべての反応物の化学活性が1に等しいときに標準条件の下で化学反応中に使い果たさ 水溶液中での反応の場合、活性は通常、濃度（すなわち1M）で置換され、水自体の活性は1とみなされる。 “生物学的”標準Gibbsfreeエネルギー変化、oは、類似しているパラメータであるが、pH7で定義されている、すなわちH+の濃度は1Mではなく、10-7Mである。
  非常に重要で、時には無視される点は、oは、セル内の条件が標準ではないため、セル内の他の吸熱反応を駆動するために利用可能なエネルギー量ではないということです（上記の定義を参照）。 実際のギブスのエネルギー変化は
  o’+2.3RT log、
  ここで、CADP、CPi、CH+、CATPは対応する反応物の実際の濃度、rはモルガス定数（8.314J mol-1K-1）、tはケルビン単位の温度である。 この点を明確にするために、実際の細胞内濃度に近いbitrary値を使用した次の例を考えてみましょう:

  CATP	2 x 10-3 M-1
  CADP	2 x 10-4 M-1
  CPi	10-2 M-1
  CH+	5 x 10-8 M-1(pHapprox. 7.3)

  このような条件下でのギブスのエネルギー変化（温度310ok、または37oc）になります
  

  delta go’+2.3rt log(cadpcpi ch+/catp)=-30-19.6=-49.6kj mol-1
  この図は、thereaction成分の実際の濃度から計算され、与えられた条件下でatp加水分解に結合された他のプロセ
  それは同じ49ということになります。6kJ mol-1は、このような高いATP/ADP比を維持するために、膜を横切るプロトン輸送によって電気化学的勾配を下に提供されなければならない。 合成された各ATP分子ごとに3個のプロトンが輸送されると仮定すると、49.6/3=16.5kJ mol-1（すなわち、171mVのプロトン輸送力）の輸送膜H+電気化学勾配が必要である。

  上記の例からの結論は次のとおりです。
  ATP加水分解によって提供されるエネルギーは固定されていません（ATPを合成するのに必要なエネル このエネルギーは、inADPおよびPi濃度の減少、およびATPまたはH+濃度の増加時に対数的に増加する（=pHの増加とともに直線的に減少する）。 以下のグラフは、上記の例で使用されている他の反応物の濃度が一定の値に保たれていると仮定して、ある反応物（x軸）の濃度の変化に応じてを示している）。
  
  このセクションを閉じるために、私はここで説明したATP合成の熱力学はrathercomplexに見えるかもしれませんが、実際にははるかに複雑であることに注意したいと思います。 ここで無視された一つの点は、異なるADPとATPプロトン化状態（上記参照）、もう一つは、ATPシンターゼによって触媒される反応における実際の基質は純粋なヌクレオチドではなく、それらのmagnesiumcomplexesであるということである。 但し、生きているcellisのマグネシウムの集中が比較的高く、pHが7.の上に通常あるので。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合成酵素によって触媒されるATP合成は、膜貫通電気化学プロトン電位差によって動力を与えられ、 より多くのプロトンは、膜相対の一方の側にあります他の、より高いプロトンが膜を横断するための駆動力です。 陽子は荷電粒子であるため、その動きは電場によっても影響されます：膜貫通電気ポテンシャル差は、陽子を正に荷電した側から負に荷電した側に駆

  

  水車は良いアナロジーです：ダムの前と後の水位の違いは、潜在的なエネル

  

  デルタmu H+モル当たりジュール（J mol-1）で測定され、次のように定義されます:

  =-F+2.3RT(pHP-pHN),

  ここで、”P”と”n”のインデックスは、正と正を示します。fはファラデー定数（96 485c mol-1）、rはモルガス定数（8.314j mol-1k-1）、tはケルビン単位の温度、の値は、膜を横切って1molの陽子を移動させるために必要なエネルギー（または放出されるエネルギー）を示します。
  ではなく、プロトン起電力（pmf）を使用する方が便利です。

  pmf=-/F=-23RT/F(pHP-pHN)

  室温（25℃）でのプロトン起力（inmillivolts、ならびに）は次のとおりです。

  pmf=

  pmf=

  pmf=

  pmf=

  pmf=

  pmf=-59（php-phn）

  膜貫通ph差がない場合、pmfは膜貫通電位差に等しく、いくつかの実験的技術（すなわち透過イオン分布、電位感受性染料、エレクトロクロミックカロテノイドバンドシフトなど）によって直接測定することができる。).膜貫通ｐＨ勾配の各ｐＨ単位は、５ ９ｍＶｏＦ ｐｍｆに対応する。
  ATP合成に関与するほとんどの生物膜では、pmf値は120と200mvの間にあります（11.6と19.3kJ mol-1の間）。p>

  

  1)nicholls,d.g.and s.j.ferguson. バイオエネルギー学2,ロンドン:学術出版物,1992. 2)A.R.教授による電気化学ポテンシャルに関する講義 Crofts 3)Cramer,W.A.and D.B.Knaff. 生物学的膜におけるエネルギー伝達：バイオエネルギー学の教科書、Springer-VerlagNew York/Berlin/London

  回転触媒

  ATP合成ガンマサブユニットとサブユニテプシロンとCサブユニトリゴマーの回転は、酵素の残りの部分に対する相対的なものである。 このような回転は、atp加水分解がプロトン転移に結合していないことを実験的に示した。 さらに，最近の実験では，ガンマスブユニットを機械的に回転させると，プロトン移動FO部分がなくてもATP合成が起こることが明らかになった。
  このような回転は生体内で起こる可能性が最も高いようです。 しかし、生理的条件下でのインテクテンザイムにおけるこのような回転機構のための直接的な実験的証拠がない。
  提案されたメカニズムは次のとおりです:

  1. protonmotiveforceによって駆動され、プロトンは酵素のFO部分を介して転送されます。 この移動は、aおよびbサブユニットに対するcサブユニトリゴマー環の回転を駆動する（詳細はこちらを参照）。
  2. 回転は、C-サブユニトリゴマー環に結合しているガンマおよびイプシロンサブユニットに渡されます。 非対称ガンマサブユニットの回転は機械的にΑ3Β3-ヘキサマーの立体配座変化を引き起こす。 ガンマサブユニットの回転の各120度は、Α-Β界面に位置する3つの触媒部位のいずれかを開いた立体配座に強制する。 新たに合成されたATP分子が放出され、代わりにリン酸とADPが結合する。 開いたsitetophosphateの高い類縁はATPのrebindingを損ない、ADPの結合を支持する。
  3. 回転はさらに進み、ガンマサブユニットは次の部位を開いた立体配座にさらに120度回転させ、前の開いた部位に結合したADPとリン酸が閉塞され、ATPsynthesisが起こる。 形成されたATP分子は、gammaサブユニットが360度回転し、再びサイトを開くと放出される。

  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）で素敵な映画http://nature.berkeley.edu/~hongwang/Project/ATP_synthase/

  ATPシンターゼの阻害剤

  ATPシンターゼ活性は、具体的には、いくつかの無機質）。 これらの阻害剤のほとんどは非常に毒性があるので、細心の注意を払って適切な安全上の注意が必要です（ATPシンターゼがブロックされていると不幸になることは非常に驚くべきことではありません）。).ほとんどの阻害剤は、プロトン移動FO-部分、またはhydrophilicf1-部分のいずれかに特異的であるため、以下のセクションはそれに応じて分割されています。

  Foの阻害剤

  オリゴマイシン

  

  オリゴマイシンA

  オリゴマイシンは、ATPシンターゼの膜埋め込まれた部分に”FO”という名前を与えた阻害剤である。 Foの下付き文字”O”（ゼロではありません！）は、ミトコンドリアにおけるこの疎水性リン酸化因子のオリゴマイシン感受性に由来する。
  オリゴマイシンはサブユニットaおよびc環オリゴマーの界面に結合し、FOの回転プロトン転座をブロックする。 酵素が十分に結合されている場合、F1の活性も遮断される。 後者の現象のために、f1とFOを接続するミトコンドリアF1-部分のサブユニットは、オリゴマイシン感受性付与タンパク質（OSCP）と命名された。このサブユニットは、F1とFOの間の良好なカップリングのために不可欠であり、f1のATPase活性は、FO阻害剤オリゴマイシン、それ故に名前に敏感にな
  オリゴマイシンはミトコンドリアATPシンターゼに特異的であり、マイクロモル濃度ではfoを介したプロトン輸送を効果的にブロックする。 この抑制剤はまたmitochondrial ATPのシンターゼ、紫色の細菌Rhodobacter capsulatusからの例えば酵素にhighsimilarityを示すある細菌の酵素で働きます。 しかし、葉緑体およびほとんどの細菌（大腸菌を含む）からのATPシンターゼは、オリゴマイシンに対する感受性が低い。
  高濃度のオリゴマイシンもミトコンドリアF1の活性に影響を与えることにも留意すべきである。

  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. PHが8以上のATPシンターゼに添加すると、DCCDはサブユニットcの保存された酸性アミノ酸残基のカルボキシル基とほぼ独占的に反応する（そのため、サブユニットcは”DCCD結合タンパク質”と呼ばれることがある）。 単一のcサブユニットにおけるカルボキシル基の修飾は、不活性な全体のc環オリゴマーをレンダリングするのに十分である。 DCCDはcサブユニットに共有結合するため、この阻害は不可逆的である。
  サブユニットc-サブユニットに保存されたアミノ酸残基のカルボキシル基は、これまで知られていたATP合成酵素に存在する。 従ってDCCDは細菌の、mitochondrialおよび葉緑体の酵素のfo機能できる普遍的な抑制剤です。 さらに，Ｖ型およびａ型プロトン輸送Ａｔｐａｓｅｓも同様の理由でＤＣＣＤに敏感である。 ナトリウム輸送ATPシンターゼもDCCDによって効果的に阻害される。
  低いpHで（1とそれを不活性化します。 従ってこの混合物のcanbeはFOおよびF1両方の抑制剤として考慮しました。 しかしながら、Ｆｏｉの阻害は、非常に特異的で、明確に定義され、そしてはるかに低いＤＣＣＤ濃度を必要とするので、通常、この阻害剤は、ＦＯ特異的として使用される。