ATP Sintase (FoF1-complexo): informações Detalhadas sobre a enzima

ATP sintase FAQ

Esta lista de Freqüentes solicitado Perguntas (FAQ) sobre o ATP sintase iswritten com o pressuposto de que o leitor tenha algum backgroundknowledge em bioquímica, enzimologia, física e química.
Este não é um artigo de revisão ou algo desse tipo; não há referências ou créditos, e nenhuma Descrição detalhada dos experimentos subjacentes a cada pedaço de informação. Se você está interessado em entrar em detalhes, basta escrever – me um e-mail (feniouk) atpsynthase.info) e terei todo o prazer em discutir qualquer das perguntas que se seguem.
a leitura recomendada é adicionada para algumas secções em” ” -signo.

Tabela de Conteúdo

nome Correto
Fisiológicas papel do ATP sintase
Diferenças entre F-A, V-, P-, e endereço de e-ATPases
a arquitetura e A subunidade composição do ATP sintase
A reação catalisada
Termodinâmica da síntese de ATP/hidrólise
força Motriz para a síntese de ATP catalisada pela ATP sintase.
catálise rotativa
inibidores da ATP sintase
inibidores da FO
inibidores da razão F1
protão/ATP localização da ATP sintase
quantos locais catalíticos a enzima tem?Qual é a velocidade da ATP sintase?o que é a sequência beta DELSEED?posso obter uma resposta sobre uma pergunta não listada aqui?

nome correcto

de acordo com a nomenclatura da Iubmbenzima, a enzima é chamada “ATP fosfohidrolase (H+-Transporte)”. No entanto, o nome”ATP sintase” reflete a função primária da enzima moreclearmente e hoje em dia é mais ampla.
O outro nome que foi comumente usado no passado é “H+ – ATPase”, às vezes um mais preciso”FOF1 H+-ATPase”. Após a descoberta de muitos outros tipos de bombas de prótons movidas por ATP, esses nomes antigos são menos usados.
Os outros nomes que foram usados para a ATP sintase são:
F1-ATPase
FOF1-ATPase
F-type ATPase ou simplesmente F-ATPase
H+-transporte ATPase
ATPase mitocondrial
fatores de acoplamento (F0, F1and CF1)
chloroplast ATPase
bacteriana Ca2+/Mg2+ATPase
ATP sintase complexo
Complexo V (cinco)

Fisiológicas papel do ATP sintase

Para fazer um short longo da história, a função principal da ATP sintase na maioria dos organismos é a síntese de ATP. Daí o nome. No entanto, em alguns casos, é mais importante a reacção inversa, isto é, a bomba de protões transmembranares por hidrólise de ATP. Um exemplo típico: bactérias anaeróbicas produzem ATP porfermentação, e ATP synthase usa ATP para gerar força protonmotiva necessária para o transporte iônico e para a motilidade flagela.muitas bactérias podem viver da fermentação e respiração ou fotossíntese. Nesse caso, as funções ATP synthasefunções em ambos os sentidos.uma questão importante é controlar a atividade de bombeamento de protões da ATP synthase a fim de evitar a hidrólise de ATP desperdiçada em condições em que nenhuma força protonmotiva pode ser gerada (por exemplo, membrana com chumbo, ausência de engate, etc.).). Em tal caso, a hidrólise de ATP torna-se um problema,porque pode rapidamente trocar o pool ATP intecelular. Para evitar esta situação,todas as ATP synthases estão equipadas com mecanismos regulatórios que suprimem a Atpaseactividade se não existir força protonmotiva. O grau de inibição da hidrólise do ATP no organismo. Em plantas (em cloroplastos), onde é necessário preservar o pool durante toda a noite, a inibição é muito forte: a enzima quase não tem atividade de aniatpase. Em contraste, em bactérias anaeróbias onde a ATP synhase é o maingenerador da força protonmotiva, esta inibição é muito fraca. A ATP sintase mitocondrial tem alguma ligação entre si.

diferenças entre F-, A-, V-, P-, E E-ATPases

• “ATPase Tipo F” é apenas outro nome para ATP sintase; letra “F”Vem de “Factor de fosforilação”.As f-ATPases estão presentes em bactérias, mitocôndrias e cloroplastos. A sua principal função na maioria dos casos é a síntese ATP à custa da diferença potencial de protões transmembraneelectroquímicos. Em algumas bactérias, no entanto, a função primária da enzima é invertida: ithydrolyzes ATP para gerar esta diferença potencial. As ATPases de Tipo F in vitro podem operar em ambas as direcções, dependendo das condições experimentais. algumas ATPases bacterianas F-Tipo também são encontradas.
• A-type ATPases were found in Archaea, their function is similar to that of F-type ATP synthase, but structurally they are very similar to V-type ATPases (see below).
• v-Tipo H+-ATPases foram inicialmente encontrados em vacúolos eucarióticos. Sua função primária é o bombeamento de prótons movidos a ATP (ou Na+) para acidificar o interior do vacuol.ATPases tipo-P (às vezes chamado de ATPases E1-E2) bombeiam uma variedade deionsacross a membrana e são encontrados em bactérias e em organelas de células manieucarióticas.
• ATPases tipo E (não misture com ATPases E1-E2! é uma família ofenzymesthat hidrolisar ExtracellularATP (ver HerbertZimmermann da Ecto-ATPase página para detalhes)

F-A-V-ATPases do tipo aremultisubunit complexos, semelhantes em termos de overallarchitecture, e provavelmente têm o mesmo núcleo do mecanismo catalítico. Protão transmembranar de Theycouple (ou na+ em algumas F-ATPases) transporte,alcançado pela rotação de algumas subunidades complexo em relação ao resto da enzima, com Atfidrolise (ou síntese Em A – E F-ATPases).
As características comuns para eles são: forma de cogumelo, domínio catalítico hexamérico hidrofílico de tipo alfa 3 Beta 3 com subunidade gama no interior. O acto catalítico realizado pelas enzimas não inclui um intermediário enzimático fosforilado.
a porção proton-translocante dessas enzimas é composta por um oligômero em forma de anel em forma de subunidade (c-subunitoligômero no caso de ATPases do Tipo F); cada subunidade tem um grupo carboxil criticamente importante aproximadamente no meio de seu segundo transmembranehelix. Este grupo carboxilo está directamente envolvido na translocação de protões.ATPases de tipo P são uma família de bombas ATP translocadoras de íons. A maioria deles também são proteínas multisubunitmembranas; um grande f realiza tanto atfidrolise quanto bombeamento de íons. Existem muitas subfamílias diferentes de ATPases tipo p, geralmente classificadas de acordo com o íon thetransport. H+, na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ag+ andAg2+, Zn2+,Co2+, Pb2+,Ni2+, Cd2+, Cu+ e Cu2+ bombagem P-ATPase são descritos.durante a hidrólise de ATP por um P-ATPaseat, uma determinada fase do ciclo catalítico o fosfato é transferido para uma parte dos resíduos de Asp da 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) P-type ATPaseDatabase(By Kristian B. Alexsen, Swiss Institute of Bioinformatics) 3 ) Kawasaki-Nishi S, Nishi T, Forgac M. (2003) Proton translocationdriven by ATP hydrolysis in V-ATPases. FEBS Lett. 545(1): 76-85.4) Perzov N, Padler-Karavani V, Nelson H, Nelson N. (2001) Features ofV-ATPases that distinguished them from F-ATPases. FEBS Lett. 504(3): 223-8.

a arquitetura e A subunidade composição do ATP sintase

ATP sintase é um grande cogumelo em forma assimétrica complexo de proteína. A enzima bacteriana mais complexa (ver o desenho a seguir) é composta por 8 tipos de subunidades, das quais 5 formam a porção hidrofílica catalítica F1 (o “cap”do cogumelo). Estas subunidades são nomeadas por letras gregas (alfa, Beta, gama, Delta e Epsilon) de acordo com o seu peso molecular. O próton se fizer a translocação de FO parte é composta ofsubunits de 3 tipos de nomeados a, b e c.

catalítica da ATP sintase (F1) é formado byAlpha 3Beta 3 hexâmero Gama (subunidade dentro e Epsilonattached para o Gama. O Delta subunit Está ligado ao “topo” do hexâmero e tosubunidades B. O segmento transmembranar hidrofóbico da subunidade b está em contato com a subunidade A.As subunidades Gama e Epsilon do domínio catalítico estão ligadas ao oligômero em forma de tom de subunidades C.A translocação de protões ocorre na interface das subunidades A E C. a estequiometria das subunidades é:

Chloroplast ATP synthase and the enzyme from some photosyntheticbacteriahave 2 different, although similar, b-typesubunits in the protontranslocating FO portion, ou seja, b E b’, uma cópia de cada uma.
alta homologia é encontrada para a maioria das subunidades de ATP sintase de diferentes bactérias e cloroplastos.a enzima mitocondrial é muito mais complexa; 17 tipos diferentes de subunidades são descritos no momento. Algumas destas subunidades têm alta homologia para os homólogos bacterianos e cloroplastos, especialmente subunidades alfa, Beta e gama na porção F1 e subunidades A E c na Foporto. Muitas subunidades são únicas para a enzima mitocondrial (Ver Tabela de nomenclatura de subunidades para detalhes).However, the catalytic and proton translocating “core” of the enzyme isstill highly homological to that of bacterian and chloroplast ATPsynthase. A topologia geral da enzima também é bastante semelhante.

A reação catalisada

ATP sintase catalisa a síntese de ATP/hidrólise juntamente totransmembrane de transferência de próton.No caso da síntese da entrada de energia comesfrom protonic fluxo através de FO downhill do transmembraneelectrochemical de prótons diferença de potencial ().Em caso de hidrólise, a enzima funciona como uma bomba de protões movida a ATP e gera .
A equação da reação catalisada é

ADP3- + Pi2- + nH+P <> o atp4- + H2O+ (n-1)H+N ( pH > 7.2 )

“P” e “N” índices denotam a positivamente e negativamente carregada lados de thecoupling membrana. o valor do pH é importante: o valor de pK para Pi2 – + H+<> Pi – é 7.2, enquanto os valores de pK correspondentes para o fosfato em ADP e ATP são próximos de 6.9.
Isto significa que, no intervalo de pH de 6,9-7.2 o prevailingreaction não incluem captura de protões:

ADP3- + Pi + nH+P <> o atp4- + H2O+ nH+N ( pH de 6,9 a 7,2 )

no Entanto, abaixo de pH = 6.9, a reação predominante é novamente 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, 2nd edition) gives a value of -30 kJ mol – 1 (-7,16 kcal/mol) at 37oCas a “biological” standard Gibbsfree energy change (o) for thisreaction. Esta é uma estimativa razoável, para os números de -28 a -36 kJmol-1 podem ser encontrados na literatura, sendo o mais popular -30,6 kJ mol-1(-7,3 kcal/mol).
O padrão Gibbsfree mudança de energia, s, é a total amountof de energia que é usado para cima ou lançado durante um chemicalreaction sob standardconditions quando o produto químico atividades de todos os reagentes éigual a 1. Em caso de reacções em soluções aquosas, as actividades são normalmente substituídas por concentrações (ou seja, 1 M); a actividade da água em si é tomada como 1. “Biológico” padrão Gibbsfree mudança de energia, s, é um similarparameter, mas é definida em pH 7, por exemplo, a concentração de H+não é 1 M, mas 10-7M. É mais prático e conveniente,para a maioria das reações biológicas ter lugar no pH fisiológico.
Um ponto muito importante, e às vezes ignorado, é queo não é a quantidade de energia disponível para conduzir outras reações endotérmicas na célula, porque as condições na célula não são padrão(veja a definição acima). A real mudança de energia de Gibbs é
s’+ 2.3 RT log ,
onde CADP,CPi, CH+,e CATP são as concentrações do correspondente reagentes, R é o molar constante de gás(8.314 J mol-1 K-1), andT é a temperatura em graus kelvin. Para esclarecer este ponto, vamos considerar o seguinte exemplo com os valores britrários que estão perto das reais concentrações intracelulares:

A mudança de energia de Gibbs em tais condições (temperatura 310oK,ou 37ºc) será
s’+ 2.3 RT log ( CADPCPi CH+ / CATP )= -30 – 19.6 = – 49.6 kJ mol-1
Esta figura, calculados a partir das concentrações de thereaction componentes, reflete a energia disponível como uma condução forcefor qualquer outro processo acoplado a hidrólise de ATP, sob dadas condições.segue-se que o mesmo 49.6 kJ mol – 1 deve ser fornecido pelo transporte de protões através da membrana para baixo do gradiente electroquímico para manter uma razão ATP/ADP tão elevada. Se assumirmos que 3protons são transportados por cada molécula ATP sintetizada, gradiente eletroquímico retransmembranar h+ de 49.6 / 3= 16.5 kJ mol-1(i.e., protonmotiveforce de 171 mV) é necessário.

a conclusão do exemplo acima é:
a energia fornecida pela hidrólise de ATP não é fixa (assim como a energia necessária para sintetizar ATP). A primeira aproximação depende das concentrações de ADP, ATP, Piand sobre o pH. esta energia aumenta logaritmicamente com a diminuição da concentração inADP e Pi e com o aumento da concentração ATP ou H+ (=diminui linearmente com o aumento do pH). Os gráficos abaixo ilustram este ponto, showingchange após a mudança na theconcentrationof um reagente (eixo x),supondo-se que as concentrações de outros reagentes são mantidos constantat valores usados no exemplo acima (pontos vermelhos indicam o calculado neste exemplo).

Para fechar esta seção, gostaria de salientar que, embora thethermodynamics de síntese de ATP descrito aqui pode parecer rathercomplex, na verdade é muito mais complexo. Um ponto negligenciado aqui foi os diferentes estados de protonação de ADP e ATP (seeabove), o outro é que os substratos reais na reactioncatalised pela ATP synthase não são nucleotídeos puros, mas seus magnesiumcomplexes. No entanto, como a concentração de magnésio na célula viva é relativamente alta e o pH é geralmente acima 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.

síntese ATP catalisada pela ATP synthase é alimentada pela diferença transmembranar do potencial de protões electroquímicos, composta por dois componentes: o químico e o eléctrico. Quanto mais protões estão de um lado de uma membrana relativamente ao outro, maior é a força motriz para um protão atravessar a membrana. Como o protão é uma partícula carregada, o seu movimento é também influenciado pelo campo eléctrico: a diferença de potencial eléctrico transmembranar irá conduzir os protões do lado carregado positivamente para o lado carregado negativamente.

Um moinho de água é uma boa analogia: a diferença entre a água levelsbefore e após a barragem que fornece energia potencial; descida de água flowrotates thewheel; a rotação é usado para executar algum trabalho (síntese de ATP em ourcase).

Quantitativamente é medida em Joules por mole (J mol-1) e isdefined como:

= -F + 2.3 RT (pHP – pHN),

onde “P” e “N” índices denotam a positivamente e negativamente carregada lados de thecoupling membrana; F é a constante de Faraday(96 485 C mol-1); R é o molar constante de gás(8.314 J mol-1 K-1),T é a temperatura em graus kelvin, e é thetransmembrane elétrica diferença de potencial involts. O valor de diz, quanta energia é necessária (ou é liberada, dependendo da direção do fluxo de prótons transmembranar) para mover 1 mol de protonsac através da membrana.
é muitas vezes mais conveniente para uso não , mas protonmotive força (pmf):

pmf = – /F = -2.3RT/F (pHP – pHN)

À temperatura ambiente (25oC) o protonmotive força (inmillivolts, bem como ):

pmf = – 59 (pHP – pHN)

Na ausência de transmembrana pH diferença pmf é igual a transmembraneelectrical diferença de potencial e pode ser medido diretamente por severalexperimental técnicas (i.e. permear de iões de distribuição,os potenciais corantes sensíveis, eletrocrômico carotenóide bandshift, etc.).Cada unidade de pH do gradiente de pH transmembranar corresponde a 59 mVof pmf.
para a maioria das membranas biológicas envolvidas na síntese de ATP o valor de pmf está entre 120 e 200mV ( entre 11.6 e 19.3 kJ mol-1).

1) Nicholls, D. G. e S. J. Ferguson. Bioenergetics 2, London: Academic Press, 1992. 2) a Lecture onElectrochemical potential by Prof. A. R. Crofts 3)Cramer, W. A. and D. B. Knaff. EnergyTransduction em Membranas Biológicas: Um Livro-texto de Bioenergética, Springer-VerlagNew York/Berlim/Londres

o Rotary catálise

O mecanismo catalítico da ATP synthasemost provavelmente envolve a rotação de Gama subunidade juntamente com subunitEpsilon e c-subunitoligomer em relação ao resto da enzima. Esta rotação foiexperimentalmente demonstrada para a hidrólise de ATP desengatado para a protontranslocação. Além disso, experimentos recentes revelaram que, se Gammasubunit é mecanicamente forçado a rotação, a síntese de ATP é placeeven sem a parte FO translocadora de prótons.parece mais provável que tal rotação ocorra in vivo. No entanto, não existem provas experimentais directas deste mecanismo rotativo na intactenzima em condições fisiológicas. o mecanismo proposto é o seguinte: os protões são transferidos através da parte FO da enzima. Esta transferência conduz a rotação do anel subunitoligómero c em relação às subunidades a e b (veja aqui para mais detalhes).

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) Bom filmes no http://nature.berkeley.edu/~hongwang/Project/ATP_synthase/

Inibidores da ATP sintase

ATP sintase atividade é especificamente inibida por vários compostos(orgânicos e inorgânicos). A maioria destes inibidores são muito tóxicos, por isso são essenciais grandes cuidados e precauções de segurança quando trabalhamos com eles (não é muito surpreendente que ficamos infelizes quando a nossa ATP sintase está bloqueada!).A maioria dos inibidores são específicos para a porção FO-translocante de protões, ou hidrofilicf1-porção, de modo que a seção abaixo é dividida em conformidade.

Inibidores da FO

Oligomycin

Oligomycin Um

Oligomycin é o inibidor que deu o nome de “FO” para a membrana incorporado da ATP sintase. A letra subescrita ” O ” em FO(não zero!) vem da sensibilidade da Oligomicina deste fator de hidrofobicfosforilação na mitocôndria.
A Oligomicina liga-se à superfície da subunidade A e do oligómero C-ring e bloqueia a translocação rotativa de protões em FO. Se a enzima estiver bem acoplada, a actividade dos F1is também bloqueia. Devido a este último fenômeno, uma subunidade de F1 mitocondrial que liga F1 com FO foi nomeada Oligomicina-sensibilidade conferindo proteína (OSCP).Esta subunidade é essencial para um bom acoplamento entre F1 e FO e torna a atividade ATPase de F1 sensível à oligomicina inibidor FO, daí o nome.
A Oligomicina é específica para a ATP sintase mitocondrial e na concentração micromolar bloqueia o transporte de protões através da FO. Este inibidor também funciona em algumas enzimas bacterianas que mostram alta similaridade com a ATP sintase mitocondrial, por exemplo, enzima da bactéria roxa Rhodobacter capsulatus. Mas a ATP sintase de cloroplastos e da maioria das bactérias (incluindo Escherichia coli)tem baixa sensibilidade à oligomicina.deve-se também notar que a oligomicina em concentrações elevadas também afecta a actividade do 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. Quando adicionado à ATP sintase a pH acima de 8, O DCCD reage quase exclusivamente com o grupo carboxilo do resíduo ácido conservado de aminoácido da subunidade c (é por isso que a subunidade C é às vezes chamada de “proteína de ligação DCCD”). isso tem pK elevado e pode, portanto, ser protonado a um pH tão alto. modificação do grupo carboxilo em uma única subunidade c-é suficiente para tornar o oligômero C-ring inteiro inativo. Uma vez que o DCCD se liga covalentemente à subunidade-c,esta inibição é irreversível.
O grupo carboxilo do resíduo conservado de aminoácidos na subunidade c-subunidade está presente em todas as ATP sintases conhecidas até agora. Então o DCCD é um inibidor universal que pode funcionar em enzimas bacterianas, mitocondriais e cloroplastas. Além disso, o transporte ATPases de protões do tipo V e A também é sensível ao DCCD pela mesma razão. As ATP sintases de transporte de sódio também são inibidas eficazmente pelo DCCD.At lower pH (1 and inactivates it. Portanto, este composto pode ser considerado como um inibidor de ambos FO e F1. No entanto, a inibição de FOis altamente específica, bem definida, e requer uma concentração de DCCD muito mais baixa, de modo que geralmente este desinibidor é usado como FO-específico.