Введение

Ферменты дефосфорилирования (Adenosine 5' TriPhosphatase, аденоилпирофосфатаза, АТФ-монофосфатаза, трифосфатаза, антиген SV40 T, АТФ-гидролаза, комплекс V (митохондриальный транспорт электронов), (Ca2+ + Mg2+) АТФ-фермент, HCO3− АТФ-фермент, аденозинтрифосфатаза) – это класс ферментов, катализирующих расщепление АТФ на АДФ и свободный фосфат-ион, либо обратную реакцию. Эта реакция дефосфорилирования высвобождает энергию, которую фермент (в большинстве случаев) использует для запуска других химических реакций, которые иначе не протекали бы. Этот процесс широко распространен во всех известных формах жизни. Некоторые из этих ферментов являются интегральными мембранными белками (закрепленными в биологических мембранах) и переносят растворенные вещества через мембрану, как правило, против градиента концентрации. Они называются трансмембранными АТФазами.

Функции

Трансмембранные АТФазы импортируют метаболиты, необходимые для клеточного метаболизма, и экспортируют токсины, отходы и растворенные вещества, которые могут препятствовать клеточным процессам. Важным примером является натрий-калиевый насос (Na+/K+АТФаза), поддерживающий потенциал клеточной мембраны. Другим примером является водородно-калиевая АТФаза (H+/K+АТФаза или желудочный протонный насос), которая подкисляет содержимое желудка. АТФаза генетически консервирована у животных; поэтому карденолиды – токсичные стероиды, производимые растениями и воздействующие на АТФазы, – являются общетоксичными и эффективными токсинами для животных, действие которых зависит от дозы. Помимо транспортеров обмена, другие категории трансмембранных АТФаз включают ко-транспортеры и насосы (однако некоторые транспортеры обмена также являются насосами). Некоторые из них, такие как Na+/K+АТФаза, вызывают чистый поток заряда, в то время как другие – нет. Соответственно, они называются электрогенными и электронейтральными транспортерами. "Мембранно-связанная медь-транспортирующая аденозинтрифосфатаза (Cu АТФаза), избирательно связывающая ионы меди, транспортирует ионы меди внутрь и наружу клеток (Harris et al. 1998)." Источник: https://www.atsdr.cdc.gov/ToxProfiles/tp132.pdf, стр. 73.

Структура

Мотивы Уокера – это характерный мотив аминокислотной последовательности белков, отвечающий за связывание и гидролиз нуклеотидов. Помимо этой общей функции, мотивы Уокера обнаруживаются почти во всех природных АТФазах, за исключением тирозинкиназ. Мотивы Уокера обычно формируют β-лист – поворот – α-спираль, самоорганизующуюся в структуру типа "гнездо" (протеиновый структурный мотив). Считается, что это связано с тем, что современные АТФазы эволюционировали из небольших пептидов, связывающих NTP, которым требовалась самоорганизация. Методы белкового дизайна позволили воспроизвести (хоть и слабо) функцию АТФазы, не используя природные аминокислотные последовательности или структуры АТФазы. Важно отметить, что, хотя все природные АТФазы содержат некоторую β-лист структуру, сконструированная "альтернативная АТФаза" лишена β-листов, что демонстрирует возможность реализации этой жизненно важной функции с использованием последовательностей и структур, не встречающихся в природе.

Механизм

АТФаза (также называемая F0F1 АТФ-синтазой) — это комплекс, осуществляющий перенос заряда, который катализирует АТФ для осуществления синтеза АТФ путем перемещения ионов через мембрану. Количество периферических стеблей зависит от типа АТФазы: F-АТФазы имеют один, A-АТФазы — два, а V-АТФазы — три. Каталитический домен F1 расположен на N-стороне мембраны и участвует в синтезе и деградации АТФ, а также в окислительном фосфорилировании. Трансмембранный домен F0 участвует в перемещении ионов через мембрану. Бактериальная F0F1 АТФаза состоит из растворимого домена F1 и трансмембранного домена F0, который состоит из нескольких субъединиц с различной стехиометрией. Две субъединицы, γ и ε, формируют центральный стебель и связаны с F0. F0 содержит олигомер c-субъединицы в форме кольца (c-кольцо). α-субъединица находится рядом с субъединицей b2 и образует стебель, соединяющий трансмембранные субъединицы с α3β3 и δ-субъединицами. F-АТФ-синтазы идентичны по внешнему виду и функции, за исключением митохондриальной F0F1 АТФ-синтазы, которая содержит 7-9 дополнительных субъединиц. F-АТФазы (F1FO АТФазы) в митохондриях, хлоропластах и плазменных мембранах бактерий являются основными производителями АТФ, используя градиент протонов, генерируемый окислительным фосфорилированием (митохондрии) или фотосинтезом (хлоропласты). F-АТФазы, лишенные субъединицы дельта/OSCP, вместо этого перемещают ионы натрия. Предполагается, что их следует называть N-АТФазами, поскольку они, по-видимому, образуют отдельную группу, которая более далека от обычных F-АТФаз, чем A-АТФазы от V-АТФаз. V-АТФазы (V1VO АТФазы) в основном встречаются в вакуолях эукариотических клеток, катализируя гидролиз АТФ для транспорта растворенных веществ и снижения pH в органеллах, таких как протонный насос лизосомы. A-АТФазы (A1AO АТФазы) встречаются у архей и некоторых экстремофильных бактерий. Они организованы как V-АТФазы, но функционируют как F-АТФазы, в основном как АТФ-синтазы. Существует множество гомологов, которые не обязательно вращаются. P-АТФазы (E1E2 АТФазы) встречаются у бактерий, грибов, а также в плазменных мембранах и органеллах эукариотических клеток и функционируют для транспортировки различных ионов через мембраны. E-АТФазы — это ферменты клеточной поверхности, которые гидролизуют ряд NTP, включая внеклеточный АТФ. Примеры включают экто-АТФазы, CD39 и экто-АТФ/Дазы, все из которых являются членами суперсемейства "GDA1 CD39". Белки AAA — это семейство кольцеобразных P-циклических NTPаз.

P-ATPase

P-АТФазы (иногда известные как E1-E2 АТФазы) обнаружены у бактерий, а также в плазматических мембранах и органеллах эукариотических клеток. Их название обусловлено кратковременным присоединением неорганического фосфата к остаткам аспартата в момент активации. Функция P-АТФаз заключается в транспорте разнообразных соединений, таких как ионы и фосфолипиды, через мембрану, используя гидролиз АТФ в качестве источника энергии. Существует множество различных классов P-АТФаз, каждый из которых транспортирует определенный тип ионов. P-АТФазы могут состоять из одного или двух полипептидов и обычно существуют в двух основных конформациях: E1 и E2.