ATP-syntas (fof1-komplex): detaljerad information om enzymet

ATP-syntas FAQ

denna lista med vanliga frågor (FAQ) på ATP-syntas ärskrivet med antagandet att läsaren har viss bakgrundskunskap inom biokemi, enzymologi och fysisk kemi.
Detta är inte en översiktsartikel eller något sådant; det finns inga referenser eller krediter, och ingen detaljerad beskrivning av experimenten underlying varje bit av information. Om du är intresserad av att fåinto detaljer, bara skriva mig ett e-mail (feniouk atpsynthase.info) och jag kommer gärna att diskutera några av frågornanedan.
Rekommenderad läsning läggs till för vissa avsnitt under” ” -tecken.

Innehållsförteckning

korrekt namn
fysiologisk roll av ATP-syntas
skillnader mellan F -, A -, V -, P-och E-Atpaser
arkitekturen och subenhetskompositionen av ATP-syntas
reaktionen katalyserad
termodynamik för ATP-syntesen / hydrolysen
drivkraft för ATP-syntes katalyserad av ATP-syntas.
Rotary catalysis
inhibitorer av ATP-syntas
inhibitorer av FO
inhibitorer av F1
Proton / ATP-förhållande
ATP-syntas plats
hur många katalytiska plats har enzymet?
hur snabbt är ATP-syntas?
Protontranslokation genom FO
vad är Beta DELSEED sekvens?
kan jag få svar på en fråga som inte anges här?

korrekt namn

enligt Iubmbenzyme-nomenklaturen kallas enzymet ” ATP-fosfohydrolas (H+ – Transport)”. Namnet” ATP-syntas ” återspeglar emellertid enzymets primära funktion mertydligt och nuförtiden är mest utbredd.
det andra namnet som vanligtvis användes tidigare är ”H + – ATPase”, ibland en mer exakt”FOF1 H+-ATPase”. Efter upptäckten av många andratyper av ATP-drivna protonpumpar används dessa gamla namn mindre.
de andra Namnen som användes för ATP-syntas är:
F1-ATPas
FOF1-ATPas
F-Typ ATPas eller helt enkelt F-ATPas
H+ – transport av ATPas
mitokondriell ATPas
kopplingsfaktorer (F0, F1 och CF1)
kloroplast ATPas
bakteriell Ca2+/Mg2+ATPas
ATP-syntas komplex
komplex V (fem)

fysiologisk roll av ATP-syntas

för att göra en lång historia kort är ATP-syntas primära funktion i de flesta organismer ATP-syntes. Därav namnet. I vissa fall är emellertid den omvända reaktionen, d.v. s. transmembranprotonpumpning som drivs av ATP-hydrolys viktigare. Ett typiskt exempel: anaeroba bakterier producerar ATP byfermentation, och ATP-syntas använder ATP för att generera protonmotiv kraft som är nödvändig för jontransportoch flagellamotilitet.
många bakterier kan leva både från jäsning och andning eller fotosyntes. I sådant fall ATP-syntas fungerar på båda sätten.en viktig fråga är att kontrollera ATP-driven protonpumpningsaktivitet av ATP-syntas för att undvika slöseri med ATP-hydrolys under förhållanden när ingen protonmotiv kraft kan genereras (t.ex. läckskadat membran, frikopplare närvarande, etc.). I sådant fall blir ATP-hydrolys ett problem,eftersom det snabbt kan exchaust den intecellulära ATP-poolen. För att undvika denna situation är alla ATP-syntas utrustade med regleringsmekanismer som undertrycker Atpasaktiviteten om ingen protonmotiv kraft är närvarande. Graden av ATP-hydrolysinhibitionberor på organismen. I växter (i kloroplaster), där det är nödvändigt att bevaraatp-poolen genom hela natten, är inhiberingen mycket stark: enzymet har knappast någonatpas-aktivitet. Däremot, i anaeroba bakterier där ATP-synhas är huvudgeneratorn för protonmotiv kraft, är sådan inhibering mycket svag. Mitokondriellt ATP-syntas är någonstansmellan.

skillnader mellan F-, A-, V-, P-och E-Atpaser

• ”f-Typ ATPase” är bara ett annat namn för ATP-syntas; bokstaven ”F”kommerfrån ”fosforyleringsfaktor”.F-Atpaser finns i bakterier, mitokondrier och kloroplaster. Derasmajorfunktionen är i de flesta fall ATP-syntes på bekostnad av den transmembranelektrokemiska protonpotentialskillnaden. I vissa bakterier reverseras emellertid enzymets primära funktion: detdrolyserar ATP för att generera denna potentialskillnad. In vitro F-Typ Atpaser kanfungera i båda riktningarna beroende på experimentella förhållanden.
  några Na + – bakteriella F-Typ Atpaser finns också.
• a-Typ Atpaser hittades i Archaea, deras funktion liknar den för F-typ ATP-syntas, men strukturellt liknar de mycket V-Typ Atpaser (se nedan).
• V-Typ H + – Atpaser hittades ursprungligen i eukaryota vakuoler. Deras primära funktion är ATP-driven proton (eller Na+) pumpning för att surgöra vakuolinteriören.
• p-typ Atpaser (ibland benämnda E1-E2 Atpaser) pumpar en mängd olikaöver membranet och finns i bakterier och i mångaeukaryota cellorganeller.
• e-Typ Atpaser (blanda inte med E1-E2 Atpaser!) är en familj avenzymeratt hydrolysera Extracelluläratp (se Herbertzimmermanns Ecto-ATPase-webbsida för Detaljer)

F -, A-och V-Typ Atpaser ärmultisubenhetskomplex, liknande när det gäller övergripande arkitektur, och har förmodligen samma kärnkatalytiska mekanism. Depar transmembranproton (eller Na+ i vissa f-Atpaser) transport,uppnådd genom rotation av envissa subenheter komplex i förhållande till resten av enzymet, med Atfydrolys (eller syntes i A – och F-Atpaser).
de gemensamma funktionerna för dem är: ”svamp” – form, hexameriskhydrofil katalytisk domän av Alfa 3 Beta 3-typ med Gamma-subenhet inuti den. Den katalytiska handlingen som utförs avdessa enzymer innefattar inte ett fosforylerat enzymmellanliggande.
Den protontranslokerande delen av dessa enzymer består av en ringformad subenhetsoligomer (c-subunitoligomer vid F-Typ Atpaser); varje subenhet bär en kritiskt viktig karboxylgrupp ungefär i mitten av sin andra transmembranehelix. Denna karboxylgrupp är direkt involverad iprotontranslokation.
P-typ Atpaser är en helt annan familj ofion-translokerande ATP-drivna pumpar. De flesta av dem är också multisubunitmembranproteiner; en stor f utför både Atphydrolys och jonpumpning. Det finns många olika underfamiljer AVP-Typ Atpaser, vanligtvis klassificerade enligt Jon theytransport. H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ag+ andAg2+, Zn2+, Co2+, Pb2+, Ni2+, Cd2+, Cu+ och Cu2 + pumpning P-ATPas ärbeskrivs.
under ATP-hydrolys av en P-Atpasvid ett visst stadium av katalytisk cykel överförs fosfatet tillen 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-typ ATPaseDatabase (av Kristian B. Alexsen, Schweiziska Institutet för bioinformatik) 3 ) Kawasaki-Nishi S, Nishi T, Forgac M. (2003) Protontranslokationdriven av ATP-hydrolys i V-Atpaser. FEBS Lett . 545(1): 76-85. 4) Perzov N, Padler-Karavani V, Nelson H, Nelson N. (2001) funktioner ofV-Atpaser som skiljer dem från F-Atpaser. FEBS Lett. 504(3): 223-8.

arkitekturen och subenhetskompositionen för ATP-syntas

ATP-syntas är ett stort svampformat asymmetriskt proteinkomplex. Det enklaste bakteriella enzymet (se tecknet nedan) består av 8subenhetstyper, avvilka 5 bildar den katalytiska hydrofila F1-delen (svampens ”lock”). Dessa underenheter namnges med grekiska bokstäver (Alfa,Beta, Gamma, Delta och Epsilon) i enlighet med deras molekylvikt. Protontranslokationsfo-delen består avsubenheter av 3 typer som heter a, b och c.

den katalytiska delen av ATP-syntas (F1) bildas byalpha 3beta 3 hexamer med gamma subenhet inuti den och epsilonfäst vid gamma. Subenhet Delta är bunden till” toppen ” avhexamer och tosubenheter b.det hydrofoba transmembransegmentet av subenhet b är i kontaktmed subenhet a.Subenheter Gamma och Epsilon av den katalytiska domänen är bundna tillringformad oligomer av c-subenheter.Protontranslokation äger rum vid gränssnittet mellan underenheterna a och c.
stökiometrin hos underenheterna är:

Chloroplast ATP synthase and the enzyme from some photosyntheticbacteriahave 2 different, although similar, b-typesubunits in the protontranslocating FO portion, nämligen b och b’, en kopia avvar och en.
hög homologi finns för de flesta ATP-syntas-subenheterna frånolika bakterier och kloroplaster.mitokondriellt enzym är mycket mer komplext; 17 olika typer avsubenheter beskrivs för tillfället. Några av dessa subenheter har hög homologi till bakteriella andchloroplast motsvarigheter, särskilt subenheter alfa, Beta och Gamma i F1-delen och subenheterna a och c i Foportionen. Många underenheter är unika för mitokondriella enzymet (se Subenhetens Nomenklaturtabellför detaljer).Den katalytiska och protontranslokerande” kärnan ” av enzymet är emellertid fortfarande mycket homologisk med den för bakteriell och kloroplastatpsyntas. Enzymets övergripande topologi är också ganska likartad.

reaktionen katalyserad

ATP-syntas katalyserar ATP-syntes / hydrolys kopplad tilltransmembranproton transfer.In vid syntes kommer energiinmatningenfrån protoniskt flöde genom nedförsbacke den transmembranelektrokemiska protonpotentialskillnaden ().Vid hydrolys fungerar enzymet som en ATP-driven protonpumpoch genererar .
ekvationen för reaktionen katalyserad är

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

indexen ”p” och ”n” anger de positivt och negativt laddade sidorna avkopplingsmembranet.
pH-värdet är viktigt: pK-värdet för Pi2 – + H + <> Pi – är 7,2, medan motsvarande pK-värden för fosfat i ADP och ATP är nära 6,9.
Detta betyder att i pH-intervallet 6,9 – 7,2 kommer den rådigareaktionen inte att inkludera fångst av protoner:

ADP3 – + Pi – + nH+P <> ATP4- + H2o+ nh+n ( pH 6,9-7,2 )

men under pH = 6,9 åtföljs den rådande reaktionen IGENGENOM 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: a upplagan) ger ett värde på -30 kJ mol – 1 (-7.16 kcal/mol) vid 37oCas en ”biologisk” standard Gibbsfree energiförändring (o) för dettareaktion. Detta är en rimlig uppskattning, för siffror från -28 till -36 kJmol-1kan hittas i litteraturen, den mest populära är -30,6 kJ mol-1(-7,3 kcal/mol).
standard gibbsfree energiförändring, o, är den totala mängden energi som antingen förbrukas eller frigörs under en kemisk reaktion under standardförhållanden när alla reaktanters kemiska aktiviteter är lika med 1. Vid reaktioner i vattenhaltiga lösningar är aktiviteternaär vanligtvis substituerade med koncentrationer (dvs 1 M); aktiviteten av vattnet i sig tas som 1. ”Biologisk” standard gibbsfree energiförändring, o, är en liknandeparameter, men definieras vid pH 7, d. v.s. koncentrationen av H+är inte 1 M, men 10-7M. det är mer praktiskt och bekvämt,för de flesta biologiska reaktioner sker vid fysiologiskt pH.
en mycket viktig och ibland ignorerad punkt är att o är inte den mängd energi som är tillgängligatt driva andra endoterma reaktioner icellen, eftersom förhållandena i cellen inte är standard(se definitionen ovan). Den faktiska Gibbs energiförändring är
o ’ + 2.3 RT log,
där CADP, CPi, CH+och CATP är de faktiska koncentrationerna av motsvarande reaktanter, R är den molära gaskonstanten (8.314 J mol-1k-1), ocht är temperaturen i Kelvin. Tillgör denna punkt tydlig, låt oss överväga följande exempel medgodtyckliga värden som ligger nära de verkliga intracellulärakoncentrationer:

Gibbs energiförändring under sådana förhållanden (temperatur 310oK eller 37oC) kommer att vara
o’+ 2.3 rt log ( cadpcpi Ch+ / catp )= -30 – 19.6 = – 49.6 kJ mol-1
denna siffra,beräknad utifrån de faktiska koncentrationerna av Åtgärdskomponenter, återspeglar den energi som är tillgänglig som drivkraftför någon annan process kopplad till ATP-hydrolys under givna förhållanden.
det följer att samma 49.6 kJ mol – 1 måste tillhandahållas avprotontransporten över membranet ner i den elektrokemiska gradienten för att upprätthålla ett så högt ATP/ADP-förhållande. Om vi antar att 3protoner transporteras per varje ATP-molekyl syntetiserad, är atransmembran H+ elektrokemisk gradient av 49,6 / 3= 16,5 kJ mol-1(dvs protonmotiveforce av 171 mV) nödvändig.

slutsatsen från exemplet ovan är:
energin som tillhandahålls av ATP-hydrolys är inte fixerad (såväl somenergi som krävs för att syntetisera ATP). Iförsta approximation det beror på koncentrationerna av ADP, ATP, Pioch på pH. denna energi ökar logaritmiskt vid minskning av inadp-och Pi-koncentrationen och vid ökning av ATP-eller H+ – koncentrationen (= minskar linjärt med ökning av pH). Graferna nedan illustrerar denna punkt och visar förändringen i vid förändringen i koncentrationen av en reaktant (x-axeln),förutsatt att koncentrationerna av andra reaktanter hålls konstanta värden som används i exemplet ovan (röda prickar indikerar beräknat i detta exempel).

för att stänga upp det här avsnittet vill jag notera att även omtermodynamik av ATP-syntesen som beskrivs här kan verka ganskakomplex, det är faktiskt mycket mer komplext. En punkt försummad här Varde olika ADP-och ATP-protonationstillstånden (seovan), den andra är att de faktiska substraten i reaktionenkatalyserad av ATP-syntas inte är rena nukleotider, utan deras magnesiumkomplex. Men eftersom magnesiumkoncentrationen i den levande cellenär relativt hög och pH är vanligtvis över 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-syntes katalyserad av ATP-syntas drivs avden transmembranelektrokemiska protonpotentialskillnaden, sammansatt av tvåkomponenter: den kemiska och den elektriska. Ju fler protoner är på ena sidan av ett membranrelativtden andra, desto högre är drivkraften för en proton att korsa demembran. Eftersom proton är en laddad partikel påverkas dess rörelse också av elektriskt fält: transmembran elektrisk potentialskillnad kommer att driva protoner från positivt laddad sida till negativt laddad.

en vattenkvarn är en bra analogi: skillnaden mellan vattennivånföre och efter dammen ger potentiell energi; nedförsbacke vattenflöderoterar hjulet; rotationen används för att utföra lite arbete (ATP-syntes i ourcase).

kvantitativt mäts i joule per mol (J mol-1) och definieras som:

= -F + 2.3 RT (pHP – pHN),

där ”P” och ”n” index betecknar de positivt och negativt laddade sidorna avkopplingsmembranet; F är Faraday-konstant(96 485 C mol-1); R är den molära gaskonstanten(8.314 j mol-1K-1),T är temperaturen i Kelvins och ärtransmembran elektrisk potentialskillnad involts. Värdet på berättar hur mycket energi som krävs (eller släpps, beroende påriktning av transmembranprotonflödet) för att flytta 1 mol protoneröver membranet.
det är ofta bekvämare att använda inte , men protonmotiv kraft (pmf):

pmf = – /F = -2.3RT/f (pHP – pHN)

vid rumstemperatur (25oC) den protonmotiva kraften (inmillivolts, liksom )är:

pmf = – 59 (PHP – PHN)

I frånvaro av transmembran ph-skillnad PMF är lika med den transmembranelektriska potentialskillnaden och kan direkt mätas med fleraexperimentella tekniker (dvs. permeatjonfördelning,potentialkänsliga färgämnen, elektrokromisk karotenoidbandskift, etc.).Varje pH-enhet i transmembran pH-gradienten motsvarar 59 mVof pmf. för de flesta biologiska membran som är involverade i ATP-syntes ligger pmf-värdet mellan 120 och 200mV ( mellan 11.6 och19.3 kJ mol-1).

1) Nicholls, D. G. och S. J. Ferguson. Bioenergetik 2, London: Akademisk Press, 1992. 2) en föreläsning omelektrokemisk potential av Prof. A. R. Crofts 3) Cramer, W. A. och D. B. Knaff. Energitransduktion i biologiska membran: en lärobok av bioenergetik, Springer-VerlagNew York/Berlin/London

Rotary catalysis

den katalytiska mekanism av ATP-syntas involverar troligen rotation av gamma-subenheten tillsammans med Subenhetenpsilon och C-Subunitoligomer i förhållande till resten av enzymet. Sådan rotation varexperimentellt visad för ATP-hydrolys som inte kopplats till protontranslokation. Dessutom avslöjade de senaste experimenten, att om Gammasubunit mekaniskt tvingas till rotation, sker ATP-syntes även utan proton-translokerande FO-del.
det verkar mest troligt att sådan rotation sker in vivo. Det finns emellertid inga direkta experimentella bevis för sådan roterande mekanism i intactenzymet under fysiologiska förhållanden.
den föreslagna mekanismen är följande:

1. Driven av protonmotiveforce överförs protoner genom fo-delen avenzymet. Denna överföring Driver rotationen av c-subunitoligomerringen i förhållande till a-och b-underenheterna (se här för detaljer).
2. rotationen skickas till Gamma-och Epsilon-underenheter somär bundna till c-subenhetenoligomerringen. Rotationen av asymmetrisk Gamma-subenhet mekanisktorsakar konformationsförändringar i Alfa 3 Beta 3-hexamer. Varje 120 grader av Gamma-subenhetens rotationkrafter en av 3 katalytiska platser belägna vid Alfa-Beta-gränssnitt till anöppnad konformation. Ny syntetiserad ATP-molekyl frigörs, ochfosfat och ADP är bundna istället. Hög affinitet hos det öppnade sitetofosfatet försämrar återbindningen av ATP och gynnar ADP-bindning.
3. Rotation går vidare, Gamma-subenheten vänder ytterligare 120 gradertvingar nästa plats i den öppnade konformationen, och ADP-ochfosfatet bundet till den tidigare öppnade platsen är ockluderade och Atpsyntes äger rum. Den bildade ATP-molekylen frigörs närgamma-subenheten gör en 360 graders vändning och öppnar återigen platsen.

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) fina filmer på http://nature.berkeley.edu/~hongwang/Project/ATP_synthase/

hämmare av ATP-syntas

ATP-syntas aktivitet är specifikt hämmas av flera föreningar(både organiska och oorganiska). De flesta av dessa hämmare är mycket giftiga, så stor försiktighetoch lämpliga säkerhetsåtgärder är viktiga när man arbetar med dem (det är inte särskilt förvånande attvi blir olyckliga när vårt ATP-syntas är blockerat!).De flesta hämmare är specifika för antingen protontranslokerande FO-del eller hydrofilf1-del, så avsnittet nedan är uppdelat i enlighet därmed.

hämmare av FO

Oligomycin

Oligomycin a

Oligomycin är den hämmare som gav namnet ” FO ” till den membraninbäddade delen av ATP-syntas. Prenumerationsbokstaven” O ” i FO(inte noll!) kommer från Oligomycin känslighet för denna hydrofobafosforyleringsfaktor i mitokondrier.
Oligomycin binder pågränssnittet för subenhet a och c-Ring oligomer och blockerar den roterande protontranslokationen i FO. Om enzymet är väl kopplat, aktiviteten hos F1är också blockerad. På grund av det senare fenomenet, a subenhet av mitokondriell F1-portionsom förbinder F1 med FO namngavs Oligomycin-känslighet som ger Protein (OSCP).Denna underenhet är väsentlig för god koppling mellan F1 och FO och gör ATPas-aktiviteten hos F1 känslig för fo-hämmaroligomycin, därav namnet.
Oligomycin är specifikt för mitokondriellt ATP-syntas och i mikromolära koncentrationerblockerar effektivt protontransport genom FO. Denna hämmare fungerar också i vissa bakteriella enzymer som visar höglikhet med mitokondriell ATP-syntas, t.ex. enzym från lila bakterie Rhodobacter capsulatus. Men ATP-syntas från kloroplaster och från de flesta bakterier (inklusive Escherichia coli)har låg känslighet för oligomycin.
det bör också noteras att oligomycin i höga koncentrationer också påverkar aktiviteten hos 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. När det tillsätts till ATP-syntas vid pH över 8, reagerar DCCD nästan uteslutande med karboxylgruppen i den konserverade sura aminosyraresten av subenhet c (det är därför subenhet c ibland kallas ”DCCD-bindande protein”). det har förhöjd pK och kan därför protoneras vid ett så högt pH. modifiering av karboxylgruppen i en enda c-subenhet är tillräcklig för att göra hela C-ringoligomeren inaktiv. Eftersom DCCD kovalent binder till c-subenhet är denna hämning irreversibel.
karboxylgruppen av den konserverade aminosyraresten i subenhet c-subenhet är närvarande ialla ATP-syntaser som hittills är kända. Så DCCD är en universell hämmare som kan fungera i bakteriella, mitokondriella och kloroplastiska enzymer. Dessutom v-och A-typ protontransporterande Atpaserär också känsliga för DCCD av samma anledning. Natriumtransporterande ATP-syntas hämmas också effektivt av DCCD.
vid lägre pH (1 och inaktiverar det. Så denna förening kanBetraktas som en hämmare av både FO och F1. Hämning av foi är emellertid mycket specifik, väldefinierad och kräver mycket lägre dccd-koncentration, så vanligtvis används thisinhibitor som FO-specifik.