АТФ-синтаза

АТФ-синтаза - фермент (КФ 3.6.3.14), которая осуществляет реакцию синтеза АТФ с АДФ и аниона фосфата обычно за счет энергии трансмембранного электрохимического потенциала протонов (т.е. комбинации градиента протонов и электрического напряжения), а в некоторых организмов за счет электрохимического потенциала ионов натрия, превращая ее, таким образом, на энергию химических связей, которая затем может использоваться клеткой в биохимических реакциях. В случае, когда фермент проводит обратный процесс - формирует трансмембранный протонный градиент за счет гидролиза АТФ, его могут называть АТФазы. Действие фермента ингибирует антибиотик олигомицин.


1. Номенклатура

АТФ-синтаза F 1 F 0 состоит из двух субъединиц:

Номенклатура субъединиц АТФ-синтазы достаточно сложная и имеет долгую историю. F 1-фракция получила свое название от срока fraction 1 ("фракция 1"), а F 0 (первоначально писалась с индексом "O", а не "ноль", как это более принято сейчас) получила название как фракция, н 'связывает олигомицин.

По примеру других ферментов, большинство субъединиц получили названия в виде греческих (от α к ε) и латинских (от a до h) букв. Остальные субъединиц получили сложные названия:

  • F 6 (от fraction 6)
  • OSCP (oligomycin sensitivity conferral protein - "вспомогательной белок чувствительности к олигомицину")
  • A6L (назван по названию гена генома митохондрий, кодирующего эту субъединицу)
  • IF1 (inhibitory factor 1 - "ингибирующее фактор 1")

2. Устройство и принцип работы

Механизм синтеза АТФ комплексом F 1. АТФ - красная, АДФ и фосфат - розовые, γ-субъединица - черная.

АТФ-синтаза располагается на одной из мембран клетки и состоит из погруженного в нее домена F 0 и выступающего в матрикс или цитоплазму домена F 1, соединенных субъединицей γ. Удаленно фермент напоминает плодовое тело гриба (в связи с чем в литературе по клеточной биологии, особенно старой, АТФ-синтазу иногда называли "грибовидным телом").

Комплекс F 1 имеет диаметр около 9-10 нм и при разрушении γ "ножки" может отделяться от мембраны, образуя т. F 1-АТФазу. F 1 состоит из трех субъединиц α и трех β, которые объединяются попарно и формируют гексамеров с тремя активными центрами. Конформации меняются при вращении субъединицы γ вместе с комплексом F 0. Движущей силой в этом процессе переноса протона, катализирующий доменом F 0. Таким образом, протон непосредственно не участвует в реакции конденсации АДФ и аниона фосфата. Следует отметить, что сам α 3 β 3 гексамеров не вращается относительно "статора" a, поскольку он содержится субъединицей δ, в свою очередь связанной с a субъединицей b ("стеблем") комплекса F 1 (хотя обычно F 1 рассматривается как неподвижный , в действительности оба комплекса вращаются относительно друг друга в противоположных направлениях).

Принцип работы комплекса F 1 состоит сначала в слабом связывании АДФ и фосфата с активным центром, который затем меняет конформацию и крепко связывает их, вследствие чего синтез АТФ идет самопроизвольно. При третьей конформации АТФ выталкивается из активного центра.

Принцип работы комплекса F 0 (что часто называют "маленьким в мире роторным электромотором" ) заключается в проникновении протона через канал в "статоре" (субъединица a) к участку связывания в "роторе" (c-кольце). Для освобождения на другой стороне мембраны протона нужно выйти через другой канал в статоре, что сдвинут на некоторое расстояние, т.е. для выхода ротора НЕОБХОДИМО обернуться относительно статора. Таким образом в роторе создается горизонтальная разность потенциалов, вращает его относительно статора [1].


3. Физиологическая роль

В качестве АТФазы фермент применяется анаеробними бактериями для создания за счет энергии АТФ трансмембранного электрохимического потенциала протонов. Этот градиент, в свою очередь, используется для вращения жгутиков и для транспорта ионов внутрь клетки.

В аэробных бактерий фермент в основном используется для синтеза АТФ, причем электрохимического потенциал для этого производится при функционировании электронтранспортных цепи. В целом данный процесс называется окислительным фосфорилированием. Он протекает в митохондриях эукариот, на внутренней мембране которых расположены молекулы АТФ-синтазы, причем F 1-субъединица находится в матриксе, где и протекает процесс синтеза АТФ из АДФ и фосфата.

АТФ-синтеза задействована также в процессе фотосинтеза, она локализуется на тилакоидних мембранах хлоропластов, ориентируясь F 1-субъединицей в строму. Строение и механизм работы фермента в этом случае практически идентичен таковым для АТФ-синтазы митохондрий, однако протонный электрохимический потенциал формируется в принципиально другом электронтранспортной цепи.