Введение

Фермент АТФ-синтаза – это фермент, катализирующий образование молекулы, запасающей энергию, – аденозинтрифосфата (АТФ) с использованием аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (Pi). АТФ-синтаза – это молекулярная машина. Общая реакция, катализируемая АТФ-синтазой, выглядит следующим образом:
АДФ + Pi + 2H+ (извне) → АТФ + H2O + 2H+ (изнутри)

АТФ-синтаза располагается в клеточной мембране и формирует апертуру, через которую протоны могут перемещаться из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, обеспечивая энергией синтез АТФ. Этот электрохимический градиент создается цепью переноса электронов и позволяет клеткам запасать энергию в АТФ для последующего использования. У прокариотических клеток АТФ-синтаза располагается в плазматической мембране, а у эукариотических – во внутренней митохондриальной мембране. Организмы, способные к фотосинтезу, также имеют АТФ-синтазу в тилакоидной мембране, которая у растений находится в хлоропласте, а у цианобактерий – в цитоплазме. Эукариотические АТФ-синтазы являются F-АТФазами, функционирующими "в обратном направлении" по отношению к АТФазе. Данная статья посвящена в основном этому типу. F-АТФаза состоит из двух основных субъединиц, FO и F1, которые обладают вращательным двигательным механизмом, обеспечивающим производство АТФ.

Номенклатура

Фракция F1 получила свое название от термина "Фракция 1", а FO (написанная как индекс "o", а не "ноль") получила свое название от того, что является фракцией, связывающей олигомицин – тип природного антибиотика, способного ингибировать FO-компонент АТФ-синтазы. Эти функциональные области состоят из различных белковых субъединиц – см. таблицы. Этот фермент используется в синтезе АТФ посредством аэробного дыхания.

Структура и функция

АТФ-синтаза, расположенная в тилакоидной мембране и внутренней митохондриальной мембране, состоит из двух частей – FO и F1. FO вызывает вращение F1 и состоит из c-кольца и субъединиц a, двух b и F6. F1 состоит из субъединиц α, β, γ и δ. F1 содержит водорастворимую часть, способную гидролизовать АТФ. FO, в свою очередь, состоит преимущественно из гидрофобных областей. FO и F1 вместе формируют путь для перемещения протонов через мембрану.

Обязательная модель

В 1960-х и 1970-х годах профессор Калифорнийского университета Пол Бойер разработал теорию механизма изменения конформации, или «переворота», которая постулировала, что синтез АТФ зависит от конформационного изменения в АТФ-синтазе, вызванного вращением гамма-субъединицы. Исследовательская группа Джона Э. Уокера, в то время работавшая в Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже, кристаллизовала каталитический домен F1 АТФ-синтазы. Эта структура, самая крупная известная на тот момент асимметричная белковая структура, подтвердила правильность роторной модели катализа, предложенной Бойером. За это открытие Бойер и Уокер разделили половину Нобелевской премии по химии 1997 года. Кристаллическая структура F1 показала чередование альфа- и бета-субъединиц (по 3 каждой), расположенных подобно долькам апельсина вокруг вращающейся асимметричной гамма-субъединицы. Согласно современной модели синтеза АТФ (известной как модель чередующегося катализа), трансмембранный потенциал, создаваемый (H+) протонами, поступающими от цепи переноса электронов, обеспечивает перенос (H+) протонов из межмембранного пространства через мембрану через область FO АТФ-синтазы. Часть FO (кольцо c-субъединиц) вращается по мере прохождения протонов через мембрану. Это кольцо c плотно связано с асимметричным центральным стеблем (состоящим преимущественно из гамма-субъединицы), что вызывает его вращение внутри альфа3бета3 F1, приводя к последовательности конформационных изменений, необходимых для синтеза АТФ. Основные субъединицы F1 предотвращены от вращения вместе с центральным ротором благодаря периферическому стеблю, соединяющему альфа3бета3 с неподвижной частью FO. Структура интактной АТФ-синтазы в настоящее время известна с низким разрешением благодаря исследованиям комплекса методом электронной криомикроскопии (крио-ЭМ). Модель АТФ-синтазы, полученная с помощью крио-ЭМ, предполагает, что периферический стебель представляет собой гибкую структуру, которая обвивается вокруг комплекса, соединяя F1 и FO. При определенных условиях ферментативная реакция может протекать и в обратном направлении, когда гидролиз АТФ приводит к перекачке протонов через мембрану. Механизм изменения конформации включает в себя циклический переход активного центра β-субъединицы между тремя состояниями. В «слабом» состоянии АДФ и фосфат входят в активный центр; это показано розовым цветом на соседнем рисунке. Затем фермент изменяет свою форму и сближает эти молекулы, а активный центр в полученном «сильном» состоянии (показано красным) связывает вновь образованную молекулу АТФ с очень высокой аффинностью. Наконец, активный центр возвращается в открытое состояние (оранжевый), высвобождая АТФ и связывая больше АДФ и фосфата, готовые к следующему циклу производства АТФ.

Физиологическая роль

Как и другие ферменты, активность F1FO АТФ-синтазы обратима. Достаточно большое количество АТФ заставляет её создавать трансмембранный протонный градиент, который используется ферментирующими бактериями, не имеющими цепи транспорта электронов, поскольку они гидролизуют АТФ для создания протонного градиента, который затем используют для работы жгутиков и транспорта питательных веществ в клетку. У аэробных бактерий в физиологических условиях АТФ-синтаза, как правило, функционирует в обратном направлении, синтезируя АТФ, используя энергию протонного движущего градиента, созданного цепью транспорта электронов. Весь процесс получения энергии таким образом называется окислительным фосфорилированием. Тот же процесс происходит в митохондриях, где АТФ-синтаза локализована во внутренней митохондриальной мембране, а F1-фрагмент выступает в митохондриальный матрикс. Перекачивая протоны в матрикс, АТФ-синтаза преобразует АДФ в АТФ.

Эволюция

Считается, что эволюция АТФ-синтазы происходила по модульному принципу, когда две функционально независимые субъединицы объединились и приобрели новую функциональность. Это объединение, по-видимому, произошло на ранних этапах эволюции, поскольку по сути одна и та же структура и активность ферментов АТФ-синтазы присутствуют во всех царствах живых организмов. Однако, в то время как F-АТФ-синтаза генерирует АТФ, используя протонный градиент, V-АТФ-аза генерирует протонный градиент за счет гидролиза АТФ, создавая значения pH до 1. Область F1 также демонстрирует значительное сходство с гексамерными ДНК-геликазами (особенно с Rho-фактором), а вся ферментная область – некоторое сходство с T3SS или двигательными комплексами жгутиков. Гексамер α3β3 в области F1 проявляет значительное структурное сходство с гексамерными ДНК-геликазами; оба образуют кольцо с трехкратной ротационной симметрией и центральным пором. Оба выполняют функции, зависящие от относительного вращения макромолекулы внутри поры: ДНК-геликазы используют спиральную форму ДНК для движения вдоль молекулы ДНК и обнаружения суперспиралей, в то время как гексамер α3β3 использует конформационные изменения, вызванные вращением субъединицы γ, для осуществления ферментативной реакции. Двигатель FO-частицы демонстрирует большое функциональное сходство с двигателями, приводящими в движение жгутики.

Ингибиторы

Было обнаружено множество природных и синтетических ингибиторов АТФ-синтазы. Они использовались для изучения структуры и механизма действия АТФ-синтазы. Некоторые из них могут найти терапевтическое применение. Существует несколько классов ингибиторов АТФ-синтазы, включая пептидные ингибиторы, полифенольные фитохимические вещества, поликетиды, органотинные соединения, полиеновые α-пироновые производные, катионные ингибиторы, аналоги субстратов, модификаторы аминокислот и другие разнообразные химические соединения. Бактериальные F-АТФазы иногда могут функционировать в обратном направлении, превращаясь в АТФазы. У некоторых бактерий отсутствует F-АТФаза, и они используют АТФазу типа А/V в обоих направлениях.

Растение

В растениях АТФ-синтаза также присутствует в хлоропластах (CF1FO АТФ-синтаза). Фермент встроен в тилакоидную мембрану; CF1-часть выступает в строму, где происходят темные реакции фотосинтеза (также называемые светонезависимыми реакциями или циклом Кальвина) и синтез АТФ. Общая структура и каталитический механизм хлоропластной АТФ-синтазы почти такие же, как у бактериального фермента. Однако в хлоропластах протонный движущий градиент создается не дыхательной цепью транспорта электронов, а первичными фотосинтетическими белками. Синтаза содержит 40 аминокислотную вставку в гамма-субъединицу для подавления неэффективной активности в темноте.

Другие эукариоты

У эукариот, принадлежащих к некоторым эволюционно отдалённым линиям, наблюдается весьма специфическое строение АТФ-синтазы. АТФ-синтаза эугленозоовых образует димер с F1-головкой в форме бумеранга, как и другие митохондриальные АТФ-синтазы, однако FO-субкомплекс содержит множество уникальных субъединиц. В её составе используется кардиолипин. Ингибиторный фактор IF1 также связывается иначе, подобно тому, как это происходит у трипаносоматид.

Археи

Археи обычно не имеют F-АТФазы. Вместо этого они синтезируют АТФ, используя A-АТФазу/синтазу – вращающийся механизм, структурно схожий с V-АТФазой, но преимущественно функционирующий как АТФ-синтаза.

LUCA и ранее

Гены F-АТФазы и порядок их расположения широко сохраняются в древних прокариотических линиях, что позволяет предположить, что эта система существовала уже до последнего универсального общего предка (LUCA).