АТФ синтаза ферментінің құрылысы және жұмыс механизмі

Кіріспе

АТФ синтетаза – аденозин дифосфаты (АДФ) және бейорганикалық фосфат (Pi) көмегімен энергия сақтау молекуласы – аденозин трифосфатының (АТФ) түзілуін катализдейтін фермент. АТФ синтетаза – молекулалық машина. АТФ синтетаза катализдейтін жалпы реакция:
АДФ + Pi + 2H+сырт – АТФ + H2O + 2H+ішкі

АТФ синтетаза жасушалық мембрана арқылы орналасқан және протондардың жоғары концентрациялы аймақтардан төмен концентрациялы аймақтарға өтуіне мүмкіндік беретін тесік құрайды, бұл АТФ синтезі үшін энергияны қамтамасыз етеді. Бұл электрохимиялық градиент электрондық тасымалдау тізбегі арқылы жасалады және жасушаларға энергияны АТФ-те сақтап, кейін пайдалануға мүмкіндік береді. Прокариоттық жасушаларда АТФ синтетаза плазмалық мембрана арқылы, ал эукариоттық жасушаларда – ішкі митохондриялық мембрана арқылы орналасқан. Фотосинтезге қабілетті организмдерде тилакоидтық мембрана арқылы АТФ синтетаза бар, ол өсімдіктерде хлоропласта, ал цианобактерияларда цитоплазмада орналасқан. Эукариоттық АТФ синтетазалары – F АТФазалар, АТФаза үшін «кері» жұмыс істейді. Бұл мақала негізінен осы типке қатысты. F АТФаза екі негізгі суббірліктен – FO және F1 – тұрады, олар АТФ өндірісіне мүмкіндік беретін айналмалы қозғалтқыш механизміне ие.

Номенклатура

F1 фракциясы атауын "Фракция 1" терминінен алса, FO (нөл емес, "o" әрпімен жазылады) олигомицинге – табиғи антибиотик түріне байланысты, оның АТФ синтетазасының FO бөлігін тежеу қабілетінен туындаған байлау фракциясы болып аталады. Бұл функционалдық аймақтар әртүрлі ақуыздық субъединицалардан құралған. Бұл фермент аэробтық тыныс алу арқылы АТФ синтезіне қатысады.

Құрылымы мен қызметі

Тилакоидтық мембрана мен ішкі митохондриялық мембрананың ішінде орналасқан АТФ синтетазасы екі аймақтан – FO және F1-ден тұрады. FO, F1 аймағының айналуын қамтамасыз етеді және c сақинасынан, a, екі b және F6 кішібірліктерінен құралған. F1 α, β, γ және δ кішібірліктерінен тұрады. F1-дің құрамында АТФ-ты гидролиздейтін суға ерігіш бөлігі бар. Ал FO аймағы негізінен гидрофобтық аймақтардан тұрады. FO және F1 протонның мембрана арқылы өтуіне арналған жол құрайды.

Міндетті үлгі

1960-1970 жылдары UCLA профессоры Пол Бойер байланыстыру өзгерісі немесе флип-флоп механизмі теориясын жасады, ол АТФ синтезінің гамма-қосалқы бірліктің айналуымен туындайтын АТФ синтездегі конформациялық өзгеріске тәуелді екенін болжады. Кейін Кембридждегі Молекулалық биологияның MRC зертханасында Джон Э. Уокердің зерттеу тобы АТФ синтезасының F1 каталитикалық доменін кристалдастырды. Ол кездегі ең ірі асимметриялық ақуыз құрылымы Бойердің ротациялық катализ моделінің негізінен дұрыс екенін көрсетті. Мұны анықтағандары үшін Бойер мен Уокер 1997 жылғы Химия бойынша Нобель сыйлығының жартысын бөлісті. F1 кристалл құрылымы алма-кезек альфа және бета кішібірліктерін (әрқайсысы 3) көрсетті, олар айналып тұрған асимметриялық гамма кішібірліктің айналасында апельсин бөліктері сияқты орналасқан. АТФ синтезінің қазіргі моделіне сәйкес (алмасушы каталитикалық модель деп аталады), электрондық тасымалдау тізбегімен қамтамасыз етілген (H+) протон катиондарынан туындаған трансмембраналық потенциал, (H+) протон катиондарын мембранааралық кеңістіктен мембрана арқылы АТФ синтезасының FO аймағы арқылы жетелейді. Протондар мембранадан өткенде FO-ның бір бөлігі (c-кішібірліктер сақинасы) айналады. c сақинасы асимметриялық орталық сабаққа (негізінен гамма-кішібірліктен тұрады) тығыз байланысқан, бұл оны F1 альфа3бета3 ішінде айналдырады, нәтижесінде 3 каталитикалық нуклеотид байланысу орындары АТФ синтезіне әкелетін конформациялық өзгерістер сериясынан өтеді. F1 негізгі кішібірліктерінің орталық сабақ роторымен бірге айналуына перифериялық сабақ кедергі келтіреді, ол alpha3beta3-ті FO-ның айналмауы мүмкін бөлігіне қосады. АТФ синтезасының толық құрылымы қазіргі уақытта электронды криомикроскопия (крио-ЭМ) зерттеулері арқылы төмен ажыратымдылықта белгілі. АТФ синтезасының крио-ЭМ моделі перифериялық сабақтың F1-ге FO қосылғанда кешенді айналдыра оралатын икемді құрылым екенін көрсетеді. Дұрыс жағдайда ферменттік реакция кері бағытта да жүзеге асырылуы мүмкін, АТФ гидролизі протонды мембрана арқылы соруға түрткі болады. Байланыстыру өзгерту механизмі β-кішібірліктің белсенді орнының үш күйдің арасында ауысуын қамтиды. «Бос» күйде АДФ және фосфат белсенді орынға кіреді; жанындағы схемада бұл қызғылт түспен көрсетілген. Содан кейін фермент пішінін өзгертіп, осы молекулаларды біріктіреді, нәтижесінде «жабысқан» күйдегі белсенді орын (қызылмен көрсетілген) жаңадан түзілген АТФ молекуласын өте жоғары туыстықпен байланыстырады. Соңында белсенді орын ашық күйге (сары) оралып, АТФ-ты бөліп, АТФ және фосфатты көбірек байланыстырып, АТФ өндірісінің келесі циклына дайын болады.

In the 1960s through the 1970s, Paul Boyer, a UCLA Professor, developed the binding change, or flip flop, mechanism theory, which postulated that ATP synthesis is dependent on a conformational change in ATP synthase generated by rotation of the gamma subunit. The research group of John E. Walker, then at the MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, crystallized the F1 catalytic domain of ATP synthase. The structure, at the time the largest asymmetric protein structure known, indicated that Boyer's rotary catalysis model was, in essence, correct. For elucidating this, Boyer and Walker shared half of the 1997 Nobel Prize in Chemistry. The crystal structure of the F1 showed alternating alpha and beta subunits (3 of each), arranged like segments of an orange around a rotating asymmetrical gamma subunit. According to the current model of ATP synthesis (known as the alternating catalytic model), the transmembrane potential created by (H+) proton cations supplied by the electron transport chain, drives the (H+) proton cations from the intermembrane space through the membrane via the FO region of ATP synthase. A portion of the FO (the ring of c subunits) rotates as the protons pass through the membrane. The c ring is tightly attached to the asymmetric central stalk (consisting primarily of the gamma subunit), causing it to rotate within the alpha3beta3 of F1 causing the 3 catalytic nucleotide binding sites to go through a series of conformational changes that lead to ATP synthesis. The major F1 subunits are prevented from rotating in sympathy with the central stalk rotor by a peripheral stalk that joins the alpha3beta3 to the non rotating portion of FO. The structure of the intact ATP synthase is currently known at low resolution from electron cryo microscopy (cryo EM) studies of the complex. The cryo EM model of ATP synthase suggests that the peripheral stalk is a flexible structure that wraps around the complex as it joins F1 to FO. Under the right conditions, the enzyme reaction can also be carried out in reverse, with ATP hydrolysis driving proton pumping across the membrane. The binding change mechanism involves the active site of a β subunit's cycling between three states. In the "loose" state, ADP and phosphate enter the active site; in the adjacent diagram, this is shown in pink. The enzyme then undergoes a change in shape and forces these molecules together, with the active site in the resulting "tight" state (shown in red) binding the newly produced ATP molecule with very high affinity. Finally, the active site cycles back to the open state (orange), releasing ATP and binding more ADP and phosphate, ready for the next cycle of ATP production.

Физиологиялық рөлі

Басқа ферменттер сияқты, F1FO АТФ синтетазасының активтілігі қайтымды. АТФ-тың жеткілікті мөлшері трансмембраналық протондық градиентті құруға себеп болады, оны электрондық тасымалдау тізбегі жоқ, бірақ АТФ-ты гидролиздей отырып протондық градиент жасайтын ашыту бактериялары пайдаланады, олар осы градиентті флагеллумды қоздыру және клеткаға қоректік заттарды тасымалдау үшін қолданады. Физиологиялық жағдайларда тыныс алатын бактерияларда АТФ синтетазасы көбінесе кері бағытта жұмыс істейді, электрондық тасымалдау тізбегі арқылы жасалған протондық қозғаушы күшті энергия көзі ретінде пайдалана отырып АТФ-ты синтездейді. Осылайша энергияны өндірудің жалпы процесі тотығу фосфорилирлеу деп аталады. Осындай процесс митохондрияда да жүреді, онда АТФ синтетазасы ішкі митохондриялық мембранада орналасқан, ал F1 бөлігі митохондриялық матрицаға қарап тұрады. Протон катиондарын матрицаға сору арқылы АТФ синтетазасы АДФ-ты АТФ-қа айналдырады.

Эволюция

АТФ синтетазасының эволюциясы модульдік болған деп саналады, яғни екі функционалдық тәуелсіз суббірлік бірігіп, жаңа функционалдық қасиеттерге ие болған. Бұл байланыс эволюция тарихының басында болған сияқты, себебі АТФ синтетаза ферменттерінің құрылымы мен активтілігі тіршілік әлемінің барлық түрлерінде дерлік бірдей. Дегенмен, F АТФ синтетазасы протон градиентін пайдаланып АТФ-ты жасайды, ал V АТФазасы АТФ есебінен протон градиентін жасайды, нәтижесінде pH 1-ден төмен деңгейге жетеді. F1 аймағы гексамерлік ДНК геликазаларымен (әсіресе Rho факторымен) айқын ұқсастық көрсетеді, ал ферменттің толық аймағы қуатты T3SS немесе қамшы тәрізді моторлық кешендерге ұқсас. F1 аймағының α3β3 гексамері гексамерлік ДНК геликазаларымен маңызды құрылымдық ұқсастықтарды көрсетеді; екеуі де орталық тесігі бар 3 еселік айналу симметриясымен сақина құрайды. Екеуінің де қызметі тесіктегі макромолекуланың салыстырмалы айналуына байланысты; ДНК геликазалары ДНК молекуласы бойымен қозғалуын қамтамасыз ету және суперспиральділікті анықтау үшін ДНК-ның спиральдік пішінін пайдаланады, ал α3β3 гексамері ферменттік реакцияны жүзеге асыру үшін γ-суббірлігінің айналуы арқылы конформациялық өзгерістерді пайдаланады. FO бөлшегінің моторы қамшыны қоздыратын моторларға өте ұқсас.

Ингибиторлар

АТФ синтетазасының әртүрлі табиғи және синтетикалық ингибиторлары табылды. Олар АТФ синтетазасының құрылымын және жұмыс механизмін зерттеуге пайдаланылды. Олардың кейбіреулері терапиялық мақсатта қолданылуы мүмкін. АТФ синтетазасының ингибиторларының бірнеше кластары бар, олар пептид ингибиторлары, полифенолды фитохимиялық заттар, поликетидтер, органотин қосылыстары, полиенді α-пирон туындылары, катиондық ингибиторлар, субстрат аналогтары, аминқышқыл модификаторлары және басқа да түрлі химиялық заттарды қамтиды. Бактериялық F АТФазалар кейде кері жұмыс істеп, АТФазаға айналуы мүмкін. Кейбір бактерияларда F АТФазасы болмайды, олар A/V типті АТФазаны екі бағытта қолданады.

Өсімдік

Өсімдіктерде АТФ синтетазасы хлоропластарда да кездеседі (CF1FO АТФ синтетазасы). Фермент тилакоид мембранасына ендірілген; CF1 бөлігі фотосинтездің қараңғы реакциялары (жарықтан тәуелсіз реакциялар немесе Кальвин циклі деп те аталады) және АТФ синтезі жүзеге асырылатын стромаға қарай бағытталған. Хлоропласт АТФ синтетазасының жалпы құрылымы мен катализдік механизмі бактериялық ферментке ұқсас. Дегенмен, хлоропластарда протондық градиент тыныс алу электрондық тасымалдау тізбегі арқылы емес, алғашқы фотосинтездік ақуыздармен жасалады. Синтазаның гамма-бөлімшесінде 40 аминқышқылынан тұратын кірігіш бар, ол қараңғыда пайдасыз белсенділікті тежеуге мүмкіндік береді.

Басқа еукариоттар

Кейбір әртүрлі туысқандық желілерге жататын эукариоттардың АТФ синтетазасы ерекше құрылымға ие. Эугленозоидтардың АТФ синтетазасы, басқа митохондриялық АТФ синтетазалар сияқты, бумеранг пішіндес F1 баспен димер түзеді, бірақ F0 субкомплексі көптеген ерекше суббірліктерден тұрады. Ол кардиолипин пайдаланады. Бұғушы IF1 де трипаносоматидтармен ортақ тәсілмен әртүрлі байланысады.

Археялар

Археяларда әдетте F АТФазасы кездеспейді. Олардың орнына АТФ-ты А АТФаза/синтаза арқылы синтездейді, бұл V АТФазаға құрылымдық жағынан ұқсас, бірақ негізінен АТФ-синтаза болып жұмыс істейтін айналмалы машина.

LUCA және бұрынғы

F АТФаза генінің байланысы және гендердің орналасуы ежелгі прокариоттардың көптеген түрлерінде кеңінен сақталған, бұл жүйе соңғы ортақ атадан, ЛУКА-дан бұрын-ақ пайда болған дегенді көрсетеді.