ATP Synthase (FoF1-kompleks): Detaljert informasjon om enzymet

ATP synthase FAQ

denne listen Over Vanlige Spørsmål (FAQ) PÅ ATP-syntasen erskrevet med antagelsen om at leseren har litt bakgrunnskunnskap i biokjemi, enzymologi og fysisk kjemi.
Dette er IKKE en gjennomgangsartikkel eller noe av den typen; det er ingen referanser eller kreditter, og ingen detaljert beskrivelse av eksperimentene som underbygger hvert stykke informasjon. Hvis du er interessert i å gettinginto detaljer, bare skrive meg en e-post (feniouk atpsynthase.info) og jeg vil gjerne diskutere noen av spørsmålenenedenfor.
Anbefalt lesing er lagt til for enkelte seksjoner under» » -tegn.

Innholdsfortegnelse

Riktig navn
Fysiologisk rolle ATP syntase
Forskjeller Mellom F-, A-, V-, P -, Og E-Atpaser
arkitekturen og underenhet sammensetning AV ATP syntase
reaksjonen katalysert
Termodynamikk AV ATP syntese/hydrolyse
Drivkraft FOR ATP syntese katalysert AV ATP syntase.
Rotary catalysis
Inhibitorer AV ATP syntase
Inhibitorer AV FO
Inhibitorer Av F1
Proton/ATP ratio
ATP syntase plassering
HVOR mange katalytisk sted har enzymet?
Hvor fort ER ATP syntase?
Proton translokasjon GJENNOM FO
Hva Er Beta DELSEED sekvens?
Kan jeg få svar på et spørsmål som ikke er oppført her?

Riktig navn

i Henhold til IUBMBEnzyme-Nomenklaturen kalles enzymet » ATP fosfohydrolase (H + – transport)». Men navnet» ATP syntase » reflekterer den primære funksjonen til enzymet merklart og i dag er mest utbredt.
det andre navnet som ofte ble brukt tidligere er «H+-ATPase»,noen ganger en mer presis «FOF1 H+-ATPase». Etter oppdagelsen av mange andretyper ATP-drevne protonpumper disse gamle navnene er mindre brukt.
de andre navnene som ble brukt FOR ATP syntase er:
F1-atpase
FF1-ATPase
F-Type ATPase eller bare F-atpase
H+-transport ATPase
mitokondriell atpase
koblingsfaktorer (F0, F1og CF1)
kloroplast ATPase
bakteriell Ca2+/Mg2+ATPase
ATP syntase complex
Kompleks V (fem)

FYSIOLOGISK rolle AV ATP-syntase

For å gjøre en lang historie Kort, er den Primære Funksjonen av atp-syntase I de fleste organismer Atp-Syntese. Derav navnet. Men i noen tilfeller er omvendt reaksjon, dvs. transmembran protonpumpingdrevet AV ATP hydrolyse viktigere. Et typisk eksempel: anaerobe bakterier produserer ATP vedgjæring, OG ATP-syntase bruker ATP til å generere protonmotorisk kraft som er nødvendig for iontransport og flagellmotilitet.Mange bakterier kan leve både fra gjæring og respirasjon eller fotosyntese. I så fall ATP synthasefungerer på begge måter.et viktig problem er å kontrollere ATP-drevet protonpumpeaktivitet AV ATP-syntase for å unngå sløsing MED ATP-hydrolyse under forhold der ingen protonmotorisk kraft kan genereres(f. eks.). I så fall BLIR ATP hydrolyse et problem, fordi det raskt kan exchaust intecellular ATP-bassenget. For å unngå denne situasjonen er ALLE ATP-syntaser utstyrt med regulatoriske mekanismer som undertrykker Atpaseaktiviteten dersom ingen protonmotorisk kraft er tilstede. Graden AV ATP-hydrolysehemmelseavhenger av organismen. I planter (i kloroplaster), hvor det er nødvendig å bevareatp basseng gjennom hele natten, inhiberingen er veldig sterk: enzymet har knapt noenatpase aktivitet. I kontrast, i anaerobe bakterier hvor ATP synhase er den viktigstegenerator av protonmotorisk kraft, er slik inhibering svært svak. Mitokondriell ATP-syntase er et stedmellom.

Forskjeller Mellom F -, A -, V-, P-og E-Atpaser

• «F-type ATPase» er bare et annet navn FOR ATP-syntase; bokstaven «F»kommer fra «fosforyleringsfaktor».F-Atpaser finnes i bakterier, mitokondrier og kloroplaster. Deresstor funksjon er I de fleste tilfeller ATP-syntese på bekostning av transmembranelektrokjemisk protonpotensialforskjell. I noen bakterier reverseres imidlertid enzymets primære funksjon: dethydrolyzes ATP for å generere denne potensielle forskjellen. In vitro F-type Atpaser kanoperere i begge retninger avhengig av eksperimentelle forhold.
  Noen Få Na + – bakterielle F-type Atpaser er også funnet.A-Type ATPASER ble funnet I Arkea, deres funksjon er lik Den FOR F-TYPE ATP-syntase, men strukturelt er de svært lik V-Type Atpaser (se nedenfor).
• V-Type H+-Atpaser ble opprinnelig funnet i eukaryotiske Vakuoler. Deres primære funksjon ER ATP-drevet proton (Eller Na+) pumping for å surgjøre vacuol interiøret.
• P-Type Atpaser (noen ganger kalt E1-E2 Atpaser) pumper en rekke ofionsover membranen og finnes i bakterier og i manyeukaryote celleorganeller.
• E-type Atpaser (ikke bland Med E1-E2 Atpaser!) er en familie av enzymer som hydrolyserer Ekstracellularatp (se Herbertzimmermanns Ecto-atpase-nettside for detaljer)

F -, A-Og V-Type Atpaser aremultisubunit-komplekser, lik i form av overallarchitecture, og har sannsynligvis samme kjernekatalytiske mekanisme. Depar transmembran proton (Eller Na+ i noen F-Atpaser) transport, oppnådd ved rotasjon av aciss subenheter kompleks i forhold til resten av enzymet, Med Atfydrolyse(eller syntese I A-Og F-Atpaser).
de vanlige funksjonene for dem er: «mushroom» form, hexamerichydrophilic katalytisk domene Av Alpha 3 Beta 3-type Med Gamma underenhet inne i den. Den katalytiske handlingen utført avde enzymer inkluderer ikke et fosforylert enzymintermediat.
den proton-translokerende delen av disse enzymene består av en ringformet underenhet oligomer (c-subunitoligomer i Tilfelle Av F-Type Atpaser); hver subunit bærer en kritisk viktigkarboksylgruppe omtrent i midten av sin andre transmembranehelix. Denne karboksylgruppen er direkte involvert iprotontranslokasjon.
P-type Atpaser er en ganske annen familie avion-translokerende ATP-drevne pumper. De fleste av dem er også multisubunitmembranproteiner; en stor f utfører Både Atfydrolyse og ionpumping. Det er mange forskjellige underfamilier avp – Type Atpaser, vanligvis klassifisert i henhold til ionetransport. H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ag + ogag2+, Zn2+, Co2+, Pb2+, Ni2+, Cd2+, Cu+ Og Cu2+ pumping P-ATPase er beskrevet.
UNDER ATP-hydrolyse Av En P-Atpasved et bestemt stadium av katalytisk syklus overføres fosfatet tilen Av Asp-rester av enzymet. 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 (Av Kristian B. Alexsen, Sveitsisk Institutt For Bioinformatikk) 3) Kawasaki-Nishi S, Nishi T, Forgac M. (2003) Protontranslokasjon drevet AV ATP hydrolyse I V-Atpaser.FEBS Lett. 545(1): 76-85. 4) Perzov N, Padler-Karavani V, Nelson H, Nelson N. (2001) Funksjoner avv-Atpaser som skiller Dem fra F-Atpaser. FEBS Lett. 504(3): 223-8.

ARKITEKTUREN OG underenheten sammensetningen AV ATP syntase

ATP syntase er en stor sopp-formet asymmetrisk protein kompleks. Det minste bakterielle enzymet (se tegneserien nedenfor) består av 8subenityper, avhvilken 5 danner den katalytiske hydrofile F1-delen («cap» av sopp). Disse underenhetene er oppkalt etter greske bokstaver (Alfa,Beta, Gamma, Delta Og Epsilon) i samsvar med deres molekylærevekt. Den protontranslokerende FO-delen består avsubenheter av 3 typer kalt a, b og c.

den katalytiske delen AV ATP-syntase (F1) dannes byalpha 3beta 3 heksamer med gamma-underenhet inne i den og epsilonfestet til gamma. Underenhet Delta er bundet til «toppen» av hexamer og tosubenheter b.det hydrofobe transmembrane segmentet av underenhet b er i kontakt med underenhet a.Underenheter Gamma og Epsilon av det katalytiske domenet er bundet til teringformet oligomer av c-underenheter.Protontranslokasjon finner sted ved grensesnittet til underenhetene a og c.
støkiometrien til underenhetene 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 avhver.
Høy homologi er funnet for de fleste AV ATP-syntase-underenhetene fradifferentbakterier og kloroplaster.
Mitokondrielt enzym er mye mer komplekst; 17 forskjellige typersubenheter er beskrevet for øyeblikket. Noen av disse underenhetene har høy homologi til bakterielle andchloroplast-kolleger, spesielt Underenheter Alfa, Beta og Gamma i F1-delen og underenheter a og c i FOportion. Mange underenheter er unike for mitokondrieenzymet (se Underenhet Nomenklaturtabellfor detaljer).Imidlertid er den katalytiske og protontranslokerende «kjernen» av enzymet fortsatt svært homologisk til den av bakteriell Og kloroplastatpsyntase. Den generelle topologien til enzymet er også ganske lik.

reaksjonen katalysert

ATP syntase katalyserer ATP syntese / hydrolyse koblet tiltransmembran proton transfer.In ved syntese kommer energiinngangen fra protonisk flux GJENNOM nedoverbakke transmembranelektrokjemisk protonpotensialforskjell ().Ved hydrolyse fungerer enzymet som EN ATP-drevet protonpumpe og genererer .
ligningen av reaksjonen katalysert er

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

indeksene «p» og «n» angir de positivt og negativt ladede sidene avkoblingsmembranen.
pH-verdien er viktig: pK-verdien For Pi2 – + h + <> Pi-er 7,2, mens de tilsvarende pK-verdiene for fosfat I ADP og ATP er nær 6,9.
Dette betyr at i ph-intervallet på 6,9 – 7,2 prevailingreaction vil ikke inkludere fangst av protoner:

ADP3 – + Pi – + nH+P <> ATP4- + h2o+ nh+n ( pH 6,9-7,2 )

men under ph = 6,9, er den rådende reaksjonen igjen ledsagetved 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, 2nd edition) gir en verdi på -30 kJ mol-1 (-7.16 kcal/mol) ved 37oCas en «biologisk» standard Gibbsfri energiendring (o) for dettereaksjon. Dette er et rimelig estimat, for tall fra -28 til -36 kJmol-1finnes i litteraturen, den mest populære er -30,6 kJ mol-1(-7,3 kcal/mol).
standard Gibbsfree energy change,o, er den totale mengden energi som enten brukes opp eller frigjøres under en kjemisk reaksjon under standardbetingelser når de kjemiske aktivitetene til alle reaktantene er lik 1. Ved reaksjoner i vandige løsninger aktiviteteneer vanligvis erstattet av konsentrasjoner (dvs. 1 M); aktiviteten tilvann selv er tatt som 1. «Biologisk» standard Gibbsfri energiendring, o, Er en lignendeparameter, men er definert ved pH 7, dvs. konsentrasjonen Av H+er ikke 1 M, men 10-7M. det er mer praktisk og praktisk,for de fleste biologiske reaksjoner finner sted ved fysiologisk pH.
et veldig viktig, og noen ganger ignorert punkt, er at o er ikke mengden energi tilgjengeligå drive andre endoterme reaksjoner icelle, fordi forholdene i cellen ikke er standard (se definisjonen ovenfor). Den faktiske Gibbs energiendringen er
o’+ 2.3 RT log ,
HVOR CADP,Kpi, CH+og CATP er de faktiske konsentrasjonene av de tilsvarende reaktantene,R er den molare gasskonstanten(8.314 j mol-1k-1), ogt er temperaturen i kelvins. Tilgjør dette punktet klart, la oss vurdere følgende eksempel medvilkårlige verdier som er nær de virkelige intracellulærekonsentrasjoner:

Gibbs energi endring under slike forhold (temperatur 310oK,eller 37oC) vil være
o’+ 2.3 rt log ( cadpcpi ch+ / catp )= -30 – 19.6 = – 49.6 kj mol-1
dette tallet, beregnet ut fra de faktiske konsentrasjonene Avvirkningskomponenter, reflekterer energien som er tilgjengelig som drivkraft for enhver annen prosess koblet til atp-hydrolyse under gitte forhold.
det følger at den samme 49.6 kJ mol-1 må leveres av protontransporten over membranen ned i elektrokjemiskgradienten for å opprettholde et så høyt ATP / ADP-forhold. Hvis vi antar at 3protoner transporteres per HVERT ATP-molekyl syntetisert, atransmembran h + elektrokjemisk gradient på 49,6 / 3= 16,5 kJ mol-1 (dvs.protonmotiveforce av 171 mV) er nødvendig.

konklusjonen fra eksemplet ovenfor er:
energien fra ATP-hydrolysen er ikke fast (så vel somenergi som er nødvendig for å syntetisere ATP). Inførste tilnærming det avhenger av konsentrasjonene AV ADP, ATP, Piog på pH. denne energien øker logaritmisk ved reduksjon inADP og Pi konsentrasjon og ved økning I ATP Eller H + konsentrasjon (=avtar lineært med økning i pH). Grafene nedenfor illustrerer dette punktet, viserendring i ved endringen ikonsentrasjon av en reaktant (x-akse),forutsatt at konsentrasjonene av andre reaktanter holdes konstantverdier som brukes i eksemplet ovenfor (røde prikker indikerer beregnet i dette eksemplet).

for å lukke opp denne delen, vil jeg gjerne merke at selv omtermodynamikk AV ATP-syntesen beskrevet her kan virke hellerkompleks, det er faktisk mye mer komplekst. Et poeng forsømt her varde forskjellige ADP-og ATP-protonasjonstilstandene (seovenfor), den andre er at de faktiske substratene i reaksjonenkatalysert AV ATP-syntase ikke er rene nukleotider, men deres magnesiumkomplekser. Men som magnesiumkonsentrasjonen i levende celleer relativt høy og pH er vanligvis 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 katalysert AV ATP-syntase drives av den transmembrane elektrokjemiske protonpotensialforskjellen, består av to komponenter: den kjemiske og den elektriske. Jo flere protoner er på den ene siden av en membranrelativden andre, jo høyere er drivkraften for en proton å krysse demembran. Siden proton er en ladet partikkel, er bevegelsen også påvirket av elektrisk felt: transmembran elektrisk potensialforskjell vil drive protoner fra positivt ladet side til den negativt ladede.

en vannmølle er en god analogi: forskjellen mellom vannnivåenefør og etter dammen gir potensiell energi; nedoverbakke vannstrømroterer hjulet; rotasjonen brukes til å utføre noe arbeid (ATP syntese i vårtilfelle).

Kvantitativtmåles i Joules per mol (j mol-1) og er definert som:

= – F + 2.3 RT (pHP – pHN),

hvor «P» og «n» indekser angir de positivt og de negativt ladede sidene avkoblingsmembranen; f er faraday konstant(96 485 c mol-1); r er den molare gasskonstanten(8.314 j mol-1k-1),t er temperaturen i kelvins, ogertransmembran elektrisk potensiell forskjell involts. Verdien av forteller hvor mye energi som kreves (eller frigjøres, avhengig avretning av transmembranprotonstrømmen) for å flytte 1 mol protonover membranen.
det er ofte mer praktisk å bruke ikke, men protonmotorisk kraft (pmf):

pmf = – /F = -2.3RT/F (pHP – pHN)

ved romtemperatur (25oc) protonmotorisk kraft (inmillivolts, så vel som )er:

pmf = – 59 (php – phn)

i fravær av transmembran ph forskjell pmf er lik transmembranelektrisk potensialforskjell og kan måles direkte ved flereeksperimentelle teknikker (dvs.gjennomsyre ionfordeling,potensielle følsomme fargestoffer, elektrokromisk karotenoid bandshift, etc.).Hver ph-enhet i den transmembrane ph-gradienten tilsvarer 59 mVof pmf.
for de fleste biologiske membraner engasjert I ATP syntese pmf verdien ligger mellom 120 og 200mV ( mellom 11.6 and19. 3 kJ mol-1).

1) nicholls, d. g. og s. j. ferguson. Bioenergetikk 2, London: Akademisk Press, 1992. 2) Et Foredrag omelektrokjemisk potensial Av Prof. A. R. Crofts 3) Cramer, W. a. Og D. B. Knaff. Energytransduksjon I Biologiske Membraner: En Lærebok Av Bioenergetikk, Springer-VerlagNew York/Berlin/London

Roterende katalyse

den katalytiske mekanisme av atp synthasemest Innebærer Sannsynligvis Rotasjon Av Gamma-underenhet Sammen Med Subenhetsilon og C-Subenhetsligomer i forhold til resten av enzymet. Slik rotasjon vareksperimentelt vist FOR ATP-hydrolyse som ikke er koblet til protontranslokasjon. Videre viste nyere eksperimenter at Hvis Gammasubunit blir mekanisk tvunget til rotasjon, FINNER ATP-syntese stedselv uten proton-translokerende FO-del.
det virker mest sannsynlig at en slik rotasjon finner sted in vivo. Imidlertid er det ingen direkte eksperimentell bevis for en slik rotasjonsmekanisme i intaktenzymet under fysiologiske forhold.
den foreslåtte mekanismen er følgende:

1. Drevet av protonmotiveforce, blir protoner overført GJENNOM FO del avenzymet. Denne overføringen driver rotasjonen av c-underenhetenligomerringen i forhold til a – og b-underenhetene (se her for detaljer).
2. rotasjonen sendes Til Gamma-Og Epsilon-underenheter som er bundet til c-underenhetenligomerringen. Rotasjonen av asymmetrisk Gamma-underenhet mekaniskforårsaker konformasjonsendringer I Alfa 3 Beta 3-heksamer. Hver 120 grader Av Gamma – underenheten rotasjonstyrker en av 3 katalytiske steder som ligger Ved Alfa-Beta-grensesnittet til anåpnet konformasjon. Frisk syntetisert ATP-molekyl frigjøres, ogfosfat OG ADP er bundet i stedet. Høy affinitet for det åpnede sitetofosfatet hemmer REBINDING AV ATP og favoriserer adp-binding.
3. Rotasjon går videre, Gamma-underenheten blir en annen 120 gradertvinger det neste stedet inn i den åpnede konformasjonen, OG ADP ogfosfat bundet til det forrige åpnede stedet er okkludert og Atpsyntese finner sted. DET DANNEDE ATP-molekylet frigjøres nårgamma-underenheten gjør en 360 grader sving og åpner igjen 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) Fine filmer påhttp://nature.berkeley.edu/~hongwang/Project/ATP_synthase/

Inhibitorer AV ATP-syntase

ATP-syntaseaktivitet er spesielt hemmet av flere Forbindelser(både organisk og uorganisk). De fleste av disse inhibitorene er svært giftige, så stor forsiktighetog passende sikkerhetsforanstaltninger er avgjørende når du arbeider med dem (det er ikke veldig overraskende atvi blir ulykkelige når VÅR ATP-syntase er blokkert!).De fleste inhibitorer er spesifikke for enten proton-translokerende FO-del eller hydrofilf1-del, så delen nedenfor er delt tilsvarende.

Inhibitorer AV FO

Oligomycin

Oligomycin A

Oligomycin er inhibitoren som ga navnet «FO» til den membraninnebygde delen AV ATP-syntase. Subscript bokstaven » O » I FO(ikke null!) kommer Fra Oligomycin følsomhet av denne hydrofobfosforyleringsfaktoren i mitokondrier.
Oligomycin binder seg pågrensesnittet av underenhet a og c-ring oligomer og blokkerer den roterende protontranslokasjonen I FO. Hvis enzymet er godt koblet, er aktiviteten Til F1er også blokkert. På grunn av sistnevnte fenomen ble en underenhet av mitokondriell F1-porsjonsom forbinder F1 med FO kalt Oligomycin-Sensitivity Condringing Protein (OSCP).Denne underenheten er viktig for god kobling Mellom F1 OG FO og gjør Atpase-aktiviteten Til F1 følsom for fo-inhibitor oligomycin, derav navnet.Oligomycin er spesifikk for mitokondriell ATP-syntase og i mikromolære konsentrasjonereffektivt blokkerer protontransport GJENNOM FO. Denne inhibitoren virker også i noen bakterielle enzymer som viser høylikhet til mitokondriell ATP-syntase, f. eks. enzym fra lilla bakterien Rhodobacter capsulatus. MEN ATP-syntase fra kloroplaster og fra de fleste bakterier (inkludert Escherichia coli)har lav følsomhet overfor oligomycin.
det bør også bemerkes at oligomycin i høye konsentrasjoner også påvirker aktiviteten til mitokondriell 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 legges TIL ATP-syntase ved pH over 8, reagerer dccd nesten utelukkende med karboksylgruppen av den konserverte sure aminosyreresten av underenhet c (derfor kalles subenhet c noen ganger «DCCD-bindende protein»). det har forhøyet pK og kan derfor protoneres ved en så høy pH. Modifikasjon av karboksylgruppen i en enkelt c-underenhet er nok til å gjøre hele c-ringoligomeren inaktiv. FORDI DCCD kovalent binder seg til c-subenhet, er denne inhiberingen irreversibel. karboksylgruppen av den konserverte aminosyreresten i underenhet c-underenhet er tilstede i alle ATP-syntaser som hittil er kjent. SÅ DCCD ER en universell inhibitor som KAN fungere i bakterielle, mitokondrielle og kloroplast enzymer. Videre, v-og a-type proton-transport ATPasesare også følsomme FOR DCCD av samme grunn. Natriumtransporterende ATP-syntaser hemmes også effektivt AV DCCD.
ved lavere pH (1 og inaktiverer den. Så denne forbindelsen kanbetraktes som en inhibitor av BÅDE FO og F1. Imidlertid hemming Av FOis svært spesifikk, veldefinert, og krever mye lavere dccd konsentrasjon så vanligvis thisinhibitor brukes SOM FO-spesifikk.