Informacija

Kodėl protonai grįžta į matricą per ATP sintazę?

Kodėl protonai grįžta į matricą per ATP sintazę?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Skaitau oksidacinį fosforilinimą ir negaliu suprasti, kodėl išpumpuoti protonai turi vėl patekti į matricą ir galiausiai gaminti ATP.

Iš pradžių tarkime, kad membranos vidus (Matrica-M) ir išorė (Intermembrane space-IMS) yra neutralūs (paprastumo dėlei). Redokso reakcijų eksergoniškumas skatina protonų siurbimą. Vykstant siurbimui elektrocheminis gradientas atsiranda dėl koncentracijos gradiento, kurį sukelia siurbimas, ir dėl elektrinio gradiento, kuris susidaro dėl netolygaus protonų pasiskirstymo.

Po redokso reakcijos pusiausvyros susidaro elektrocheminis gradientas. Aš negaliu suprasti, kodėl protonai turi tekėti atgal į matricą. Redokso reakcijos pusiausvyra reiškia, kad santykis $ce{H_{M}}/ce{H_{IMS}}$ turi konkrečią vertę. Ar jie grįžta atgal dėl elektrocheminio gradiento? Aš galvojau, kad srautas atgal yra sujungtas su siurbimu, ar tai teisinga? Turiu galvoje pusiausvyrą: $$ce{H_{M}} ightleftharpoons ce{H_{IMS}}$$ o siurbdami padidiname $ce{H_{IMS}}$ todėl protonai turi tekėti atgal pagal Le Chatelier principą. Jei taip, koks ATP sintazės tikslas? Kodėl protonai turi tekėti atgal per ATP sintazę, o ne iš bet kurio kito regiono? Ar kvėpavimo grandinė ir ATP sintazė yra atskirtos ir vienintelis būdas protonams tekėti atgal yra per ATP sintazę?

Skaičiau biochemijos vadovėlius ir vis dar nesuprantu vadinamosios protonų varomosios jėgos svarbos.


5.5: Elektronų transportavimo atjungimas nuo ATP sintezės

  • Prisidėjo E. V. Wong
  • „Axolotl Academica Publishing“ (biologija) „Axolotl Academica Publishing“

Taigi, tai yra oksidacinis fosforilinimas. Jis produktyviai naudoja protonų gradiento energiją per vidinę mitochondrijų membraną (kurią sukuria oksidacijos varomi siurbliai), kad paskatintų ATP susidarymą maždaug 3 protonų ir 1 ATP greičiu. Sistema paprastai yra labai savireguliuojama dėl vidinės mitochondrijų membranos nepralaidumo H + . Jei ATP greitai neišnaudojamas, jo koncentracija sulėtina ATP sintazių, kurios sulėtina protonų judėjimą iš tarpmembraninės erdvės, veikimą. Šio protonų kaupimo galiausiai pakaks, kad laisvos energijos, reikalingos protonui perkelti į tarpmembraninę erdvę (iš elektronų transportavimo grandinės), nepakaks koncentracijos gradientui įveikti. Elektronų transportavimas sulėtėja, o veikiant atgal, grandininė reakcija apskritai lėtina kvėpavimo greitį. Kadangi ląstelė / organizmas reikalauja daugiau energijos ir greičiau sunaudoja ATP, protonai teka greičiau ir elektronų transportavimo grandinė yra išjungta. Taigi yra tiesioginis ryšys tarp kvėpavimo dažnio ir fiziologinio energijos poreikio.

Įdomu tai, kad šiam glaudžiui elektronų transportavimo grandinės sujungimui ir ATP susidarymui yra išimtis. Rudųjų riebalų (dar žinomo kaip rudasis riebalinis audinys), kuris dažniausiai randamas naujagimiams ir žiemojantiems žinduoliams, paskirtis yra generuoti nedrebinančią (ne judėjimo pagrindu) šilumą, kad gyvūnas būtų šiltas. Tai pasiekiama atjungiant elektronų transportavimo grandinę nuo ATP sintezės. Šis atjungimas yra hormoniškai kontroliuojamas procesas, pagrįstas mitochondrijų protonų kanalo, vadinamo termogeninu, buvimu. Hormonas norepinefrinas padidina laisvųjų riebalų rūgščių gamybą, kurios atveria termogenino kanalą. Tai leidžia protonams iš tarpmembraninės erdvės grįžti į matricą, neprarandant ATP sintazės. Dėl šios priežasties elektronų transportavimo grandinė gali nutrūkti, ATP lygis nesikaupia, nesumažėja kvėpavimo dažnis, o energijos perteklius, nepanaudojamas ATP gamybai, išsiskiria kaip šiluma.

Tiesą sakant, 2,4-dinitrofenolis, kuris šiandien naudojamas įvairiuose tyrimuose ir pramonėje, vienu metu buvo naudojamas kaip dietinis vaistas (1930 m.), nes dėl kitokio mechanizmo jis taip pat atsiejo elektronų transportavimą nuo ATP sintezės. Jo veikimo mechanizmas atsirado dėl jo gebėjimo pernešti ir išlaisvinti protonus, nes jis laisvai sklinda per mitochondrijų membraną (nes tai yra maža hidrofobinė molekulė). Tai tęsiasi, ląstelės katabolizuoja vis daugiau angliavandenių ir riebalų atsargų, o tai yra dietos besilaikančių žmonių susidomėjimo priežastis. Deja, kai kuriems iš tų dietos besilaikančių žmonių ši farmakologinė priemonė elektronų pernešimo grandinei atjungti nuo ATP sintezės neturėjo jokio kito reguliavimo, išskyrus suvartoto DNP kiekį. Perdozavimo atveju kvėpavimo dažnis gali labai padidėti, gaminant mažai ATP ir daug šilumos. Tiesą sakant, perdozavimo ligas ir mirtį dažniausiai lemia kūno temperatūros šuolis, o ne sumažėjęs ATP prieinamumas. Deja, vis dar yra dietų besilaikančių ir kultūristų, kurie, nepaisydami pavojų, savarankiškai gydosi DNP.


Tai vyksta oksidacinio fosforilinimo metu, o „protono nutekėjimo“ procesas taip pat vadinamas Oksidacinio fosforilinimo atsiejimas

Mitochondrijų elektronų transportavimo grandinė

Elektronų pernešimas priverčia I, III ir IV kompleksus pernešti protonus per vidinę mitochondrijų membraną iš matricos, žemo [ $ce regiono$ ] ir neigiamą elektrinį potencialą į tarpmembraninę erdvę (kuri liečiasi su citozoliu), aukšto [ $ce$ ] ir teigiamas elektrinis potencialas.

Trys iš keturių elektronų pernešimo kompleksų – I, III ir IV kompleksai – dalyvauja protonų perkėlime. Buvo sukurti du mechanizmai, kurie susietų laisvą elektronų transportavimo energiją su aktyviu protonų transportavimu: redokso kilpos mechanizmas ir protonų siurblio mechanizmas.

Oksidacinio fosforilinimo atsiejimas

Elektronų pernešimas (NADH ir FADH2 oksidacija $ce$ ) ir oksidacinis fosforilinimas (ATP sintezė) paprastai yra glaudžiai susiję dėl vidinės mitochondrijų membranos nepralaidumo protonams. Taigi vienintelis būdas $ce$ norėdami vėl patekti į matricą, per $ce$ protonus perkeliančios ATP sintazės dalis.

Ramybės būsenoje, kai oksidacinis fosforilinimas yra minimalus, protonų varomoji jėga per vidinę mitochondrijų membraną susikaupia tiek, kad laisvoji energija papildomiems protonams pumpuoti yra didesnė, nei gali sukaupti elektronų pernešimo grandinė, taip slopindama tolesnį elektronų transportavimą. .

Tačiau buvo nustatyta, kad daugelis junginių, įskaitant 2,4-dinitrofenolį (DNP) ir karbonilcianidą-ptrifluormetoksifenilhidrazoną (FCCP), „atsieja“ šiuos procesus. Esant pH gradientui, jie suriša protonus rūgštinėje membranos pusėje, išsklaido ir išleidžia juos šarminėje pusėje, taip išsklaidydami gradientą.

The chemiosmotinė hipotezė pateikė pagrindą suprasti mechanizmą, pagal kurį šie atjungikliai veikia.

Atjungikliai veikia išsklaidydami protonų gradientą per vidinę mitochondrijų membraną, kurią sukuria elektronų transportavimo sistema.

Kaip atjungikliai, jie veikia pernešdami protonus per vidinę membraną. Jų tendencija yra įgyti protonus ant citozolinio membranos paviršiaus (kur protonų koncentracija yra didelė) ir pernešti juos į matricos pusę, taip sunaikinant protonų gradientą, susiejantį elektronų transportavimą ir ATP sintazę.

Mitochondrijose, apdorotose atjungikliais, elektronų pernešimas tęsiasi ir protonai išstumiami per vidinę membraną. Tačiau jie taip greitai nuteka atgal per atjungiklius kad ATP sintezė nevyksta. Vietoj to, elektronų transportavimo metu išsiskirianti energija išsisklaido kaip šiluma.

Vidinėje mitochondrijų membranoje yra agento, dėl kurio ji pralaidi $ce$ atskiria oksidacinį fosforilinimą nuo elektronų pernešimo, suteikdamas protonų varomosios jėgos išsklaidymo kelią, kuriam nereikia ATP sintezės. Todėl atjungimas leidžia nekontroliuojamai vykti elektronų transportavimui, net kai ATP sintezė yra slopinama.

Oksidacinio fosforilinimo atjungimas: protonus pernešantys jonoforai DNP ir FCCP atskiria oksidacinį fosforilinimą nuo elektronų pernešimo, iškraunant elektrocheminį protonų gradientą, susidarantį dėl elektronų pernešimo.


4.6: ATP sintazė

  • Prisidėjo John W. Kimball
  • Tufts universiteto ir Harvardo profesorius (išėjęs į pensiją).

ATP sintazė yra didžiulis molekulinis kompleksas (>500 000 daltonų), įterptas į vidinę mitochondrijų membraną. Jo funkcija yra paversti protonų (H + ), judančių žemyn jų koncentracijos gradientu, energiją į ATP sintezę. ADP ir P molekulei paversti pakanka 3–4 protonų, judančių per šią mašiną i (neorganinis fosfatas) virsta ATP molekule. Vienas ATP sintazės kompleksas kiekvieną sekundę gali generuoti >100 ATP molekulių.

Paveikslas (PageIndex<1>): ATP sintazė

ATP sintazę galima suskirstyti į 2 dalis:

  • F o - dalis, įterpta į vidinę mitochondrijų membraną
  • F1-ATPazė &mdash dalį, išsikišusią į mitochondrijos matricą

Štai kodėl nepažeista ATP sintazė taip pat vadinama F o F 1-ATPase.

Kai F. 1-ATPazė išskiriama in vitro, ji katalizuoja ATP hidrolizę į ADP ir P i (todėl jis vadinamas F 1-ATPazė). Kol tai daro, centrinė F dalis o pritvirtintas prie kotelio, greitai sukasi prieš laikrodžio rodyklę (žiūrint iš viršaus).

Nepažeistoje mitochondrijoje protonai, susikaupę tarpmembraninėje erdvėje, patenka į F o kompleksą ir išeikite iš jo į matricą. Energija, kurią jie atsisako keliaudami žemyn savo koncentracijos gradientu, sukasi F o ir jo stiebas (at

6000 aps./min.) pagal laikrodžio rodyklę. Tai sukelia pasikartojančius konformacinius galvos baltymų pokyčius, kurie leidžia jiems konvertuoti ADP ir P i į ATP. (Paveikslėlyje du iš trijų dimerų, sudarančių galvos baltymus, buvo atitraukti, kad būtų parodytas jų centre įdėtas kotelis.)

Abiem atvejais mašina cheminę energiją, gautą iš ATP hidrolizės in vitro atveju, ir protonų srautą koncentracijos gradientu žemyn nepažeistoje mitochondrijoje į mechaninę energiją ir paverčia variklio sukimąsi. Tačiau šį nuostabų įrenginį galima padaryti atvirkščiai, mechaninę energiją (variklio pasukimą) paverčiant chemine energija.

Grupei japonų mokslininkų, besidominčių nanomašinomis, pavyko pritvirtinti magnetinius karoliukus prie F stiebelių. 1-ATPazė izoliuota in vitro. Tada, naudojant besisukantį magnetinį lauką, jie galėjo priversti kotelius suktis. Sukant pagal laikrodžio rodyklę, F 1-ATPazė susintetino ATP iš ADP ir P i aplinkinėje terpėje &mdash maždaug 5 molekulių per sekundę greičiu! (Sukant stiebus prieš laikrodžio rodyklę arba jų visai nesukant, ATP buvo hidrolizuojamas į ADP ir P i .)

Apie jų pasiekimus pranešta Itoh, H., ir kt., Gamta, 2004 m. sausio 29 d.


Biochemija. 5 -asis leidimas.

Paveikslas

Mitochondrijos, nudažytos žaliai, sudaro tinklą fibroblasto ląstelės viduje (kairėje). Mitochondrijos oksiduoja anglies kurą, kad susidarytų ląstelių energija. Šiai transformacijai reikalingas elektronų perdavimas per kelis didelius baltymų kompleksus (aukščiau), kai kurie iš jų pumpuoja (daugiau. )

NADH ir FADH2 susidarančios glikolizės, riebalų rūgščių oksidacijos ir citrinų rūgšties ciklo metu yra daug energijos turinčios molekulės, nes kiekvienoje yra elektronų pora, turinti didelį perdavimo potencialą. Kai šie elektronai naudojami redukuoti molekulinį deguonį į vandenį, išsiskiria didelis kiekis laisvos energijos, kurią galima panaudoti ATP generavimui. Oksidacinis fosforilinimas yra procesas, kurio metu ATP susidaro dėl elektronų perdavimo iš NADH arba FADH 2 į O. 2 elektronų nešėjų serija. Šis procesas, vykstantis mitochondrijose, yra pagrindinis ATP šaltinis aerobiniuose organizmuose (18.1 pav.). Pavyzdžiui, oksidacinis fosforilinimas sukuria 26 iš 30 ATP molekulių, kurios susidaro, kai gliukozė visiškai oksiduojama iki CO.2 ir H.2O.

18.1 pav

Mitochondrijos elektroninė mikrografija. [Dr. George'o Palade'o sutikimu.]

Oksidacinis fosforilinimas yra konceptualiai paprastas ir mechaniškai sudėtingas. Iš tiesų, oksidacinio fosforilinimo mechanizmo išaiškinimas buvo viena iš sudėtingiausių biochemijos problemų. Elektronų srautas iš NADH arba FADH2 į O.2 per baltymų kompleksus, esančius mitochondrijų vidinėje membranoje, sukelia protonų išsiurbimą iš mitochondrijų matricos. Dėl to netolygus protonų pasiskirstymas sukuria pH gradientą ir transmembraninį elektrinį potencialą, kuris sukuria protonų varomoji jėga. ATP sintetinamas, kai protonai per fermentų kompleksą grįžta atgal į mitochondrijų matricą. Taigi, kuro oksidacija ir ADP fosforilinimas yra sujungti protonų gradientu per vidinę mitochondrijų membraną (18.2 pav.).

18.2 pav

Oksidacinio fosforilinimo esmė. Oksidaciją ir ATP sintezę sieja transmembraniniai protonų srautai.

Oksidacinis fosforilinimas yra energijos transformacijų serijos kulminacija kurie vadinami ląstelinis kvėpavimas arba tiesiog kvėpavimas jų visuma. Pirma, anglies kuras oksiduojamas citrinų rūgšties cikle, kad būtų gauti elektronai su dideliu perdavimo potencialu. Tada ši elektronų varomoji jėga paverčiama protonų varomąja jėga ir galiausiai protonų varomoji jėga paverčiama fosforilo perdavimo potencialu. Elektronų varomoji jėga paverčiama protonų varomąja jėga atliekama trimis elektronais varomais protonų siurbliais—NADH-Q oksidoreduktazė, Q-citochromas c oksidoreduktazė ir citochromas c oksidazė. Šiuose dideliuose transmembraniniuose kompleksuose yra daug oksidacijos-redukcijos centrų, įskaitant chinonus, flavinus, geležies ir sieros grupes, hemus ir vario jonus. Paskutinę oksidacinio fosforilinimo fazę atlieka ATP sintazė, ATP sintezuojantis agregatas, kurį varo protonų srautas atgal į mitochondrijų matricą. Šio nuostabaus fermento komponentai sukasi kaip jo katalizinio mechanizmo dalis. Oksidacinis fosforilinimas tai ryškiai rodo protonų gradientai yra tarpusavyje konvertuojama laisvos energijos valiuta biologinėse sistemose.

Kvėpavimas—

ATP generavimo procesas, kurio metu neorganinis junginys (pvz., molekulinis deguonis) tarnauja kaip galutinis elektronų akceptorius. Elektronų donoras gali būti organinis arba neorganinis junginys.

  • 18.1. Oksidacinis fosforilinimas eukariotuose vyksta mitochondrijose
  • 18.2. Oksidacinis fosforilinimas priklauso nuo elektronų perdavimo
  • 18.3. Kvėpavimo grandinė susideda iš keturių kompleksų: trijų protonų siurblių ir fizinio ryšio su citrinos rūgšties ciklu
  • 18.4. Protonų gradientas skatina ATP sintezę
  • 18.5. Daugelis šaudyklių leidžia judėti per mitochondrijų membranas
  • 18.6. Ląstelių kvėpavimo reguliavimą pirmiausia valdo ATP poreikis
  • Santrauka
  • Problemos
  • Pasirinkti skaitiniai

Sutarus su leidėju, ši knyga pasiekiama naudojant paieškos funkciją, bet jos negalima naršyti.


7.2: elektronų transportavimo grandinė (ETC)

  • Prisidėjo Geraldas Bergtromas
  • Viskonsino universiteto Milvokyje profesorius emeritas (biologijos mokslai)

Visos ląstelės naudoja elektronų transportavimo grandinę (ETC), kad oksiduotų substratus egzergoniškas reakcijos. Elektronų srautas iš redukuotų substratų per ETC yra tarsi elektronų judėjimas tarp akumuliatoriaus polių. Akumuliatoriaus atveju elektronų srautas išskiria laisvą energiją varikliui, šviesai, mobiliajam telefonui ir kt. Mitochondrijų ETC atveju elektronai teka, kai redukuotas elektronas (NADH, FADH2) oksiduojamas. Augaluose ir kituose fotosintetiniuose organizmuose ETC padeda oksiduoti NADPH (fosforilintą elektronų nešiklio NADH versiją). Abiem atvejais laisva energija išsiskiria, kai ETC redokso reakcijos yra susietos su aktyviu protonų (H+ jonų) pernešimu per membraną. Rezultatas yra cheminis H+ jonų gradientas ir pH gradientas. Kadangi protonai yra įkrauti, protonų gradientas taip pat yra elektrinis gradientas. Savotiškai trumpai sakome, kad laisvoji energija redukuotuose substratuose dabar yra elektrocheminis gradientas. Ši laisvoji gradiento energija yra užfiksuota ATP sintezės reakcijose, susietose su protonų srautu (difuzija) atgal per membraną procesu, vadinamu oksidacinis fosforilinimas. Aerobinio kvėpavimo metu elektronai galiausiai perkeliami iš komponentų ETC pabaigoje į galutinį elektronų akceptorių molekulinį deguonį O2, sudarydami vandenį. Fotosintezės metu elektronų perdavimas sumažina CO2 į cukrų.

The Chemiosmosinis mechanizmaspaaiškino, kaip sukuriamas elektrocheminis gradientas ir kaip nuo gradiento laisva energija patenka į ATP. Už šią įžvalgą Peteris Mitchellas 1978 m. laimėjo Nobelio chemijos premiją. Galite perskaityti Mitchell'o originalų pasiūlymą chemiozės modelis mitochondrijų ATP sintezė Mitchell P (1961) Fosforilinimo sujungimas su elektronų ir vandenilio perdavimu chemiosmotinio tipo mechanizmu. Gamta 191:144-148. Čia mes sutelkiame dėmesį į kvėpavimo detales, kai jis vyksta eukariotinių ląstelių mitochondrijose. Galutiniai elektronų transportavimo produktai yra NAD+, FAD, vanduo ir protonai. Protonai patenka už mitochondrijų matricos ribų, nes jie pumpuojami per kristalinę membraną, naudojant laisvą elektronų transportavimo energiją.

Elektronų transportavimasir oksidacinis fosforilinimasyra apibendrinti toliau pateiktoje iliustracijoje.

Romėniško numerio baltymų kompleksai kartu su kofermentu Q (brėžinyje tik &ldquoQ&rdquo) ir citochromu C (Cyt c) sudaro ETC – reakcijų, kurios oksiduoja NADH arba FADH2 į NAD+ ir FAD (atitinkamai), seką. Elektronai iš šių redukuotų elektronų nešėjų yra perkeliami iš vieno ETC komplekso į kitą. Grandinės pabaigoje elektronai, protonai ir deguonis susijungia į IV kompleksą, kad susidarytų vanduo. Kaip ir galima tikėtis, standartinėmis sąlygomis uždaroje sistemoje elektronų pernešimas vyksta žemyn, o bendras laisvosios energijos išsiskyrimas (neigiamas DGo) esant pusiausvyrai.

Aukščiau pateiktoje iliustracijoje matome tris kvėpavimo takų ETC vietas, kurios veikia kaip H+ siurbliai. Šiose vietose neigiamas elektronų perdavimo laisvosios energijos pokytis yra didelis ir susijęs su siurblio veikimu. Rezultatas yra tas, kad protonai kaupiasi už mitochondrijos matricos ribų. Kadangi išorinė mitochondrijų membrana yra laisvai pralaidi protonams, tarp citoplazmos ir mitochondrijų matricos veikia elektrocheminis gradientas. Protonų srautas atgal į mitochondrijų matricą per ledinuko formos ATP sintazės kompleksus išskiria laisvą gradiento energiją, kuri panaudojama kaip cheminė energija.


Elektrocheminis protonų gradientas

Kartu su elektronų transportavimu trys aukščiau aprašyti kvėpavimo baltymų kompleksai pumpuoja protonus iš matricos į tarpmembraninę erdvę, todėl per vidinę membraną susidaro elektrocheminis gradientas. Kai elektronai juda per šiuos kelių baltymų kompleksus, jie dažnai yra suporuojami su protonu (H+), kad neutralizuotų jų krūvį, kai jie juda iš vienos membranos pusės į kitą. Alosteriniai baltymų kompleksų pokyčiai taip pat gali sukelti protonų siurbimą per membraną. Protonų siurbimas per vidinę membraną sukuria vieno pH vieneto skirtumo gradientą (dešimteriopai skiriasi vandenilio jonų koncentracija) tarp matricos ir tarpmembraninės erdvės. Be to, membranos potencialas susidaro dėl teigiamo krūvio tarpmembraninėje erdvėje ir grynojo neigiamo krūvio matricoje. Elektrocheminis gradientas per vidinę membraną susideda iš pH gradiento ir membranos potencialo ir yra jėga, dažnai vadinama protonų varomoji jėga (PMF), kuris sugrąžins protonus per vidinę membraną į matricą ir tokiu būdu skatins ATP sintezę.


Kodėl protonai grįžta į matricą per ATP sintazę? – Biologija

Šis dažnai užduodamų klausimų (DUK) sąrašas apie ATP sintazę sudarytas darant prielaidą, kad skaitytojas turi tam tikrų žinių apie biochemiją, enzimologiją ir fizikinę chemiją.
Tai NĖRA apžvalginis straipsnis ar kažkas panašaus, jame nėra nuorodų ar kreditų ir nėra išsamaus eksperimentų, kuriais grindžiama kiekviena informacija, aprašymo. Jei jus domina detalės, tiesiog parašykite man el. laišką (feniouk [at] atpsynthase.info) ir aš mielai aptarsiu bet kurį iš toliau pateiktų klausimų.
Kai kuriems skyriams rekomenduojama skaityti po „“ ženklu.

Turinys

Teisingas pavadinimas

Pagal IUBMB fermentų nomenklatūrą fermentas vadinamas „ATP fosfohidrolaze (H + transportuojančia)“. Tačiau pavadinimas „ATP sintazė“ aiškiau atspindi pirminę fermento funkciją ir šiais laikais yra labiausiai paplitęs.
Kitas pavadinimas, kuris buvo įprastas praeityje, yra „H + -ATPase“, kartais tikslesnis „FOF1 H + -ATPazė". Po daugelio kitų ATP varomų protonų siurblių tipų atradimo šie seni pavadinimai yra mažiau naudojami.
Kiti ATP sintazės pavadinimai yra šie:

ATP sintazės fiziologinis vaidmuo

Trumpai tariant, pagrindinė ATP sintazės funkcija daugumoje organizmų yra ATP sintezė. Iš čia ir pavadinimas. Tačiau kai kuriais atvejais svarbesnė yra atvirkštinė reakcija, ty transmembraninis protonų siurbimas, maitinamas ATP hidrolizės būdu. Tipiškas pavyzdys: anaerobinės bakterijos gamina ATP fermentacijos būdu, o ATP sintazė naudoja ATP, kad sukurtų protonų jėgą, reikalingą jonų pernešimui ir žvynelių judrumui.
Daugelis bakterijų gali gyventi tiek fermentacijos, tiek kvėpavimo ar fotosintezės metu. Tokiu atveju ATP sintazė veikia abiem būdais.
Svarbus klausimas yra kontroliuoti ATP varomą ATP sintazės protonų siurbimo aktyvumą, kad būtų išvengta švaistomos ATP hidrolizės tokiomis sąlygomis, kai negali susidaryti protonų varomoji jėga (pvz., nesandari pažeista membrana, atjungiklis ir kt.). Tokiu atveju ATP hidrolizė tampa problema, nes ji gali greitai išeikvoti ląstelių ATP baseiną. Siekiant išvengti šios situacijos, visose ATP sintezėse yra reguliavimo mechanizmai, kurie slopina ATPazės aktyvumą, jei nėra protonų jėgos. ATP hidrolizės slopinimo laipsnis priklauso nuo organizmo. Augaluose (chloroplastuose), kur ATP baseiną reikia išsaugoti visą naktį, slopinimas yra labai stiprus: fermentas beveik neturi ATPazės aktyvumo. Priešingai, anaerobinėse bakterijose, kur ATP sintazė yra pagrindinis protonų jėgos generatorius, toks slopinimas yra labai silpnas. Mitochondrijų ATP sintazė yra kažkur tarp jų.

F-, A-, V-, P- ir E-ATPazių skirtumai

  • „F tipo ATPazė“ yra tik dar vienas ATP sintazės pavadinimas „F“, kilęs iš „fosforilinimo F aktorius“. F-ATPazės yra bakterijose, mitochondrijose ir chloroplastuose. Pagrindinė jų funkcija daugeliu atvejų yra ATP sintezė transmembraninio elektrocheminio protonų potencialo skirtumo sąskaita. Tačiau kai kuriose bakterijose pagrindinė fermento funkcija yra atvirkštinė: jis hidrolizuoja ATP, kad sukurtų šį potencialų skirtumą. In vitro F tipo ATPazės gali veikti abiem kryptimis, priklausomai nuo eksperimento sąlygų.
    Taip pat randama keletas Na + -bakterijų F tipo ATPazių.
  • A tipo ATPazės buvo aptiktos A rchaea, jų funkcija panaši į F tipo ATP sintazės, tačiau struktūriškai jos labai panašios į V tipo ATPazes (žr. toliau).

F, A ir V tipo ATPazės yra kelių subvienetų kompleksai, panašūs pagal bendrą architektūrą ir greičiausiai turi tą patį pagrindinį katalizinį mechanizmą. Jie susieja transmembraninį protonų (arba Na + kai kuriose F-ATPazėse) transportavimą, pasiekiamą sukant tam tikrą subvienetų kompleksą, palyginti su likusiu fermentu, su ATP hidrolize (arba sinteze A- ir F-ATPazėse).
Bendri jų bruožai yra: „grybo“ forma, heksamerinis hidrofilinis alfa katalizinis domenas 3 Beta 3 - įveskite gama subvienetą viduje. Šių fermentų atliktas katalizinis veiksmas neapima fosforilinto fermento tarpinio junginio.
Šių fermentų protonus perkelianti dalis susideda iš žiedo formos subvieneto oligomero (f tipo ATPazių atveju c-subvieneto oligomeras), kiekvienas subvienetas turi labai svarbią karboksilo grupę maždaug antrosios transmembraninės spiralės viduryje. Ši karboksilo grupė yra tiesiogiai susijusi su protonų perkėlimu.

P tipo ATPazės yra gana skirtinga jonus perkeliančių ATP varomų siurblių šeima. Dauguma jų taip pat yra daugiasubvienetiniai membraniniai baltymai, vienas didelis f atlieka ir ATP hidrolizę, ir jonų siurbimą. Yra daug skirtingų P tipo ATPazių pošeimių, paprastai klasifikuojamų pagal jų pernešamus jonus. H + , Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Ag + ir Ag 2+ , Zn 2+ , Co 2+ , Pb 2+ , Ni 2+ , Cd 2+ , Cu + ir Cu 2+ P-ATPazės siurbimas yra aprašytas.
ATP hidrolizės metu P-ATPaze tam tikrame katalizinio ciklo etape fosfatas perkeliamas į vieną iš fermento Asp likučių. Nėra įrodymų (nei struktūrinių, nei funkcinių) dėl rotacinės katalizės P tipo ATPazėse. Tipiški tokių fermentų pavyzdžiai yra mielių plazminės membranos H + ATPazė, K + /Na + membraninė ATPazė, Ca 2+ membraninė ATPazė.

1) Pedersen, P. L. ir Carafoli, E. (1987) Jonų motyvų ATPazės. I. Visur, savybės ir reikšmė ląstelės funkcijai. Tendencijos Biochem. Sci. 4: 146-150.
2) P tipo ATPazės duomenų bazė (Kristian B. Alexsen, Šveicarijos bioinformatikos institutas)
3) Kawasaki-Nishi S, Nishi T, Forgac M. (2003) Protonų translokacija, skatinama ATP hidrolizės V-ATPazėse.
FEBS Lett. 545 (1): 76-85.
4) Perzov N, Padler-Karavani V, Nelson H, Nelson N. (2001) Ypatybės V-ATPases, kurios skiria jas nuo F-ATPases. FEBS Lett. 504 (3): 223-8.

ATP sintazės architektūra ir subvienetų sudėtis

ATP sintazė yra didelis grybo formos asimetrinis baltymų kompleksas. Paprasčiausias bakterinis fermentas (žr. toliau pateiktą animaciją) susideda iš 8 subvienetų tipų, iš kurių 5 sudaro katalizinį hidrofilinį F.1-porcija (grybo „kepurėlė“). Šie subvienetai yra pavadinti graikiškomis raidėmis (Alfa, Beta, Gama, Delta ir Epsilon) pagal jų molekulinę masę. Protonas, perkeliantis FO dalis sudaryta iš 3 tipų subvienetų, pavadintų a , b ir c .


Katalizinė ATP sintazės dalis (F1) sudaro alfa 3 Beta 3 heksameras su Gamma subvienetu viduje ir Epsilon prijungtas prie gama. Subvienetas Delta yra prijungtas prie heksamero "viršaus" ir subvienetų b . Hidrofobinis transmembraninis subvieneto b segmentas liečiasi su subvienetu a . Katalizinio domeno subvienetai Gama ir Epsilon yra susieti su c-subvienetų žiedo formos oligomeru. Protonų perkėlimas vyksta subvienetų a ir c sąsajoje.

Subvienetų stechiometrija yra tokia:

F1
FO
Alfa
3
a
1
Beta
3 b
2
Gama
1
c
10-15(?)
Delta
1


Epsilonas
1


Chloroplasto ATP sintazė ir kai kurių fotosintetinių bakterijų fermentas turi 2 skirtingus, nors ir panašius, b tipo subvienetus protone, perkeliančiame F.O p ortion, ty b ir b' , po vieną kiekvieno egzempliorių.
Didelė homologija nustatyta daugeliui skirtingų bakterijų ir chloroplastų ATP sintazės subvienetų.

Mitochondrijų fermentas yra daug sudėtingesnis, šiuo metu aprašyta 17 skirtingų subvienetų tipų. Kai kurie iš šių subvienetų turi didelę homologiją su bakterijų ir chloroplastų atitikmenimis, ypač alfa, beta ir gama subvienetais F.1 dalis ir a ir c subvienetai FO porcija. Daugelis subvienetų yra unikalūs mitochondrijų fermentui (daugiau informacijos rasite subvienetų nomenklatūros lentelėje). Tačiau katalizinė ir protonus perkelianti fermento „šerdis“ vis dar yra labai homologiška bakterijų ir chloroplastų ATP sintazei. Bendra fermento topologija taip pat gana panaši.

Reakcija katalizuojama

ATP sintazė katalizuoja ATP sintezę / hidrolizę, susietą su transmembraniniu protonų perdavimu. Sintezės atveju energija gaunama iš protoninio srauto per FO žemyn transmembraninis elektrocheminis protonų potencialo skirtumas (). Hidrolizės atveju fermentas veikia kaip ATP varomas protonų siurblys ir generuoja .
Katalizuojamos reakcijos lygtis yra

ADP 3- + P i 2- + nH + P <=> ATP 4- + H 2 O + (n-1)H + N ( pH > 7,2 )

„P“ ir „N“ indeksai žymi teigiamai ir neigiamai įkrautas jungiamosios membranos puses.
Svarbi pH vertė: Pi 2- + H + <=> P pK reikšmė i - yra 7,2, o atitinkamos fosfato pK reikšmės ADP ir ATP yra artimos 6,9.
Tai reiškia, kad pH intervale 6,9–7,2 vyraujanti reakcija neapims protonų gaudymo:

ADP 3- + P i - + nH + P <=> ATP 4- + H 2 O + nH + N ( pH 6,9-7,2 )

Tačiau žemiau pH = 6,9 vyraujančią reakciją vėl lydi protonų gaudymas:

ADP 2- + P i - + nH + P <=> ATP 3- + H 2 O + (n-1)H + N ( pH < 6,9 )

ATP sintezės/hidrolizės termodinamika

Tradiciškai ATP sintezės/hidrolizės termodinamika aprašoma hidrolizės reakcijai:

ATP 4- + H2 O <=> ADP 3- + P i 2- + H+ ( pH > 7,2 )

„Fizikinė chemija“ (P.W.Atkins, 2-asis leidimas) pateikia -30 kJ mol -1 (-7,16 kcal/mol) vertę 37 o C temperatūroje kaip "biologinį" standartinį Gibso laisvosios energijos pokytį ( o &ūmus) šiai reakcijai. Tai pagrįstas įvertinimas, nes literatūroje galima rasti skaičius nuo -28 iki -36 kJ mol -1, populiariausias yra -30,6 kJ mol -1 (-7,3 kcal/mol).
Standartinis Gibso laisvos energijos pokytis, o , bendras energijos kiekis, kuris sunaudojamas arba išsiskiria cheminės reakcijos metu standartinėmis sąlygomis, kai visų reagentų cheminis aktyvumas lygus 1. Reakcijose vandeniniuose tirpaluose aktyvumas paprastai pakeičiamas koncentracijomis ( ty 1 M) paties vandens aktyvumas laikomas 1. "Biologinis" standartas Gibso laisvosios energijos pokytis, o &ūmus, yra panašus parametras, bet apibrėžiamas esant pH 7, t.y. H + koncentracija yra ne 1 M, o 10 -7 M. Tai praktiškiau ir patogiau, nes dauguma biologinių reakcijų vyksta esant fiziologiniam pH.

Labai svarbus ir kartais nepaisomas dalykas yra tai, kad o &ūmus nėra energijos kiekis, skirtas kitoms, endoterminėms reakcijoms ląstelėje sukelti, nes sąlygos ląstelėje nėra standartinės (žr. apibrėžimą aukščiau). Tikrasis Gibso energijos pokytis yra

/>= />o ' + 2,3 RT žurnalas [ C ADP C P i (C H + / 10 -7 ) / C ATP ],

kur C ADP, C Pi, C H + ir C ATP yra tikrosios atitinkamų reagentų koncentracijos, R yra molinė dujų konstanta (8,314 J mol -1 K -1 ), ir T yra temperatūra Kelvinais. Kad tai būtų aišku, panagrinėkime šį pavyzdį su savavališkomis vertėmis, kurios yra artimos tikrosioms tarpląstelinėms koncentracijoms:

C ATP 2 x 10 -3 M -1
C ADP 2 x 10 -4 M -1
C P i 10 -2 M -1
C H + 5 x 10 -8 M -1 (pH maždaug 7,3)

Gibso energijos pokytis tokiomis sąlygomis (temperatūra 310 o K arba 37 o C) bus

/>= />o ' + 2,3 RT log (C ADP C P i C H + / C ATP ) = -30 - 19,6 = -49,6 kJ mol -1

Šis skaičius, apskaičiuotas pagal faktines reakcijos komponentų koncentracijas, atspindi energiją, kuri yra bet kokio kito proceso, susieto su ATP hidrolize tam tikromis sąlygomis, varomoji jėga.
Iš to išplaukia, kad toks pat 49,6 kJ mol -1 turi būti aprūpintas protonų transportavimu per membraną žemyn elektrocheminiu gradientu, kad būtų išlaikytas toks aukštas ATP / ADP santykis. Jei darysime prielaidą, kad kiekviena susintetinta ATP molekulė yra pernešama po 3 protonus, būtinas transmembraninis H + elektrocheminis gradientas 49,6 / 3 = 16,5 kJ mol -1 (t. y. 171 mV protonvaro jėga).

Išvada iš aukščiau pateikto pavyzdžio yra tokia:
ATP hidrolizės teikiama energija nėra fiksuota (kaip ir energija, reikalinga ATP sintezei). Pirmuoju aproksimavimu jis priklauso nuo ADP, ATP, P koncentracijųi ir dėl pH. Ši energija logaritmiškai didėja, kai sumažėja ADP ir Pi koncentracija ir padidėjus ATP arba H + koncentracijai (= mažėja tiesiškai didėjant pH). The graphs below illustrate this point, showing change in the />upon the change in the concentration of one reactant ( x axis), assuming that the concentrations of other reactants are kept constant at values used in the example above (red dots indicate the />calculated in this example).

To close up this section, I would like to note that although the thermodynamics of the ATP synthesis described here might seem rather complex, it is actually much more complex. One point neglected here was the different ADP and ATP protonation states (see above), the other is that the actual substrates in the reaction catalyzed by ATP synthase are not pure nucleotides, but their magnesium complexes. However, as the magnesium concentration in the living cell is relatively high and the pH is usually above 7.2, so the description given is still applicable for thermodynamic estimates.

Driving force for ATP synthesis catalyzed by ATP synthase.

ATP synthesis catalyzed by ATP synthase is powered by the transmembrane electrochemical proton potential difference, composed of two components: the chemical and the electrical one. The more protons are on one side of a membrane relative to the other, the higher is the driving force for a proton to cross the membrane. As proton is a charged particle, its movement is also influenced by electrical field: transmembrane electrical potential difference will drive protons from positively charged side to the negatively charged one.

A water mill is a good analogy: the difference between the water levels before and after the dam provides potential energy downhill water flow rotates the wheel the rotation is used to perform some work (ATP synthesis in our case).

Quantitatively is measured in Joules per mole (J mol -1 ) and is defined as:

where the " P " and " N " indices denote the p ositively and the n egatively charged sides of the coupling membrane F is Faraday constant (96 485 C mol -1 ) R is the molar gas constant (8.314 J mol -1 K -1 ), T is the temperature in Kelvins, and is the transmembrane electrical potential difference in volts. The value of tells, how much energy is required (or is released, depending on the direction of the transmembrane proton flow) to move 1 mol of protons across the membrane.
It is often more convenient to use not , but protonmotive force ( pmf ):

At room temperature (25 o C) the protonmotive force (in millivolts, as well as ) is:

In the absence of transmembrane pH difference pmf equals the transmembrane electrical potential difference and can be directly measured by several experimental techniques (i.e. permeate ion distribution, potential-sensitive dyes, electrochromic carotenoid bandshift, etc.). Each pH unit of the transmembrane pH gradient corresponds to 59 mV of pmf .
For most biological membranes engaged in ATP synthesis the pmf value lies between 120 and 200 mV ( between 11.6 and 19.3 kJ mol -1 ).

Rotary catalysis

  1. Driven by the protonmotive force, protons are transferred through the FO portion of the enzyme. This transfer drives the rotation of the c -subunit oligomer ring relative to the a and b subunits (see here for details).
  2. The rotation is passed to Gamma and Epsilon subunits that are bound to the c -subunit oligomer ring. The rotation of asymmetric Gamma subunit mechanically causes conformational changes in Alpha 3 Beta 3 -hexamer. Each 120 degrees of the Gamma subunit rotation forces one of 3 catalytic sites located at Alpha-Beta interface into an opened conformation. Freshly synthesized ATP molecule is released, and phosphate and ADP are bound instead. High affinity of the opened site to phosphate impairs rebinding of ATP and favours ADP binding.
  3. Rotation goes further, Gamma subunit turns another 120 degrees forcing the next site into the opened conformation, and the ADP and phosphate bound to the previous opened site are occluded and ATP synthesis takes place. The ATP molecule formed is released when the Gamma subunit makes one 360 degrees turn and once again opens the site.

Inhibitors of ATP synthase

ATP synthase activity is specifically inhibited by several compounds (both organic and inorganic). Most of these inhibitors are very toxic, so great care and appropriate safety precautions are essential when working with them (it is not very surprising that we get unhappy when OUR ATP synthase is blocked!). Most inhibitors are specific for either proton-translocating FO-portion, or hydrophilic F1-portion, so the section below is divided accordingly.

Inhibitors of FO

Oligomicinas

Oligomycin is the inhibitor that gave the name "FO" to the membrane-embedded portion of ATP synthase. The subscript letter "O" in FO(not zero!) comes from Oligomycin sensitivity of this hydrophobic phosphorylation Factor in mitochondria.
Oligomycin binds on the interface of subunit a ir c-ring oligomer and blocks the rotary proton translocation in FO. If the enzyme is well-coupled, the activity of F1 is also blocked. Because of the latter phenomenon, a subunit of mitochondrial F1-portion that connects F1 with FO was named Oligomycin-Sensitivity Conferring Protein (OSCP). This subunit is essential for good coupling between F1 ir F.O and makes the ATPase activity of F1 sensitive to FO inhibitor oligomycin, hence the name.
Oligomycin is specific for mitochondrial ATP synthase and in micromolar concentrations effectively blocks proton transport through FO. This inhibitor also works in some bacterial enzymes that show high similarity to mitochondrial ATP synthase, e.g. enzyme from purple bacterium Rhodobacter capsulatus. But ATP synthase from chloroplasts and from most bacteria (including Escherichia coli) has low sensitivity to oligomycin.
It should also be noted that oligomycin in high concentrations also affects the activity of mitochondrial F1.

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 that can covalently modify protonated carboxyl groups. When added to ATP synthase at pH above 8, DCCD almost exclusively reacts with the carboxyl group of the conserved acidic amino acid residue of subunit c (that is why subunit c is sometimes called "DCCD-binding protein"). that has elevated pK and can therefore be protonated at such a high pH. Modification of the carboxyl group in a single c-subunit is enough to render the whole c-ring oligomer inactive. Because DCCD covalently binds to c-subunit, this inhibition is irreversible.
The carboxyl group of the conserved amino acid residue in subunit c-subunit is present in all ATP synthases known so far. So DCCD is a universal inhibitor that can FO function in bacterial, mitochondrial and chloroplast enzymes. Moreover, V- and A-type proton-transporting ATPases are also sensitive to DCCD for the same reason. Sodium-transporting ATP synthases are also effectively inhibited by DCCD.
At lower pH (

Venturicidin

The macrolide antibiotic venturicidin (also known as Aabomycin) isolated from a Streptomyces sp. was originally described as an antifungal agent. Later it was found that venturicidin is a potent inhibitor of ATP synthase that specifically blocks proton translocation through FO. Like oligomycin, it binds on the interface of subunit a ir c-ring oligomer. However, venturicidin specificity is not limited to mitochondrial ATP synthase, and it is effectively inhibiting bacterial and chloroplast enzymes. Na + -translocating ATP synthases are also strongly inhibited with venturicidin.
If the coupling between FO ir F.1 is good, venturicidin also blocks the activity of F1. So this inhibitor is a good choice for quick test of the coupling efficiency. Its important advantages over DCCD are quick effect and ease of use. Unlike DCCD, venturicidin can be stored as a concentrated stock solution for a long time without loss of inhibitory power.
The affinity of FO to venturicidin is very high. In Rhodobacter capsulatus ATP synthase half-maximal inhibition was observed at 2-5 nM venturicidin concentration.

Inhibitors of F1

Azidas

Azide selectively inhibits ATPase activity of ATP synthase, leaving its ATP synthesis activity unaffected. It is demonstrated in mitochondrial F1 that azide binds together with MgADP (interacting with its beta-phosphate) in a catalytic site, and presumably prevents ADP release from this site. However, rotation of subunit gamma forced by sufficiently high pmf or by external force can expell the occluded ADP from the catalytic site, bringing the enzyme to active ATP synthesis.

Tentoxin

Tentoxin is a phytotoxin produced by fungi of the Alternaria rūšis. It specifically inhibits the ATPase activity of some chloroplast ATP synthases it has no effect on bacterial and mitochondrial enzyme. Moreover, some chloroplast ATP synthases are also tentoxin-resistant.
Tentoxin binds at the cleft between Alpha and Beta subunits close to the N-terminal beta-barrel crown of F1. At small concentration (about 1-10uM) tentoxin inhibits ATP hydrolysis, while at higher concentrations the inhibition is relieved. The binding site of tentoxin was determined by X-ray analysis of chloroplast F1 crystallized in the presence of the inhibitor.

Efrapeptin

Efrapeptin (also known as A 23871 or A23871) is a common name for a group of small peptides antibiotics that can bind inside F1 with high affinity and inhibit both ATP synthesis and hydrolysis. The binding site of efrapeptin was determined by X-ray analysis of the bovine mitochondrial F1 crystallized in the presence of the inhibitor. It is likely that efrapeptin fixes subunit Gamma inside F1 and block the rotation of this subunit.
Efrapeptins are potent inhibitors for mitochondrial ATP synthase and for some bacterial enzymes. The inhibitory effect was first noticed in chromatophores of purple bacterium Rhodospirillum rubrum. Chloroplast ATP synthase is only mildly sensitive to efrapeptin.

Fluoro-aluminate (AlF4)

Fluoro-aluminate based inhibitors mimic the transitional state of ATP gamma-phosphate. They bind together with ADP in catalytic sites and freeze the enzyme in a conformation that presumably reflects an intermediate step of ATP hydrolysissynthesis.

Proton/ATP ratio

From the early experiments with mitochondria the H + /ATP ratio for ATP synthesis was estimated as 3. However, for chloroplast enzyme the figure of 4 was found more probable. From the thermodynamic considerations less than 3 protons pro ATP is hardly feasible, for the energy required for ATP synthesis under physiological conditions is about 50 kJ mol -1 (

520 meV), so at physiological protonmotive force values in the range of 120-200 mV at least 3 protons should be transferred to get the energy necessary.

There is no convincing evidence or arguments that this ratio should be a whole number.

This ratio is expected to depend on the number of c -subunits in the FO: as there are 3 catalytic sites on the enzyme and
it is most possible that ATP synthesis is driven by a rotary mechanism,

H + /ATP = (number of c -subunits) / 3

But here the problem is that the experimentally determined numbers of the c -subunits in ATP synthases from different organisms are 10, 11, 14, and 15, suggesting ratios of 3.33, 3.67, 4.67 and 5, respectively. It is also possible that c -subunit stoichiometry varies depending on the situation in the cell.

ATP synthase location

ATP synthase is found in bacteria, mitochondria and chloroplasts. In bacteria it is located in the cell membrane with the bulky hydrophilic catalytic F1 portion sticking into cytoplasm. The orientation is quite easy to remember, for the bacterium need ATP to be synthesized inside the cell, not outside. With the proton flow it is less easy I found it helpful to think that protons always go “along” with ATP: during ATP synthesis they enter the bacterial cell (more ATP inside, more protons inside), and during ATP hydrolysis they leave the cell and go into the outer medium (less ATP inside, less protons inside).
In mitochondria ATP synthase is located in the inner membrane, the hydrophilic catalytic F1 portion is sticking into matrix. In a way a mitochondrion is a bacterium “swallowed” by the eukaryotic cell: then the inner mitochondrial membrane corresponds to the bacterial cell membrane.
In chloroplasts the enzyme is located in the thylakoid membrane F1 portion is sticking into the stroma.


How many catalytic site does the enzyme have?

How fast is ATP synthase?

For simplicity let us leave aside the more "biochemical", but less understandable values of "micromoles of ATP per minute per mg protein" and discuss the number of ATP molecules synthesized (or hydrolyzed) by one ATP synthase in one second.
Maximal rates over 100 s -1 were reported for bacterial, mitochondrial and chloroplast enzymes for ATP synthesis. ATP hydrolysis rates is a less clear issue, for the coupled enzyme in small membrane vesicles (most commonly used experimental system) quickly builds up relatively high protonmotive force that acts as a back pressure and stops the hydrolysis. For uncoupled or solubilized enzyme rates over 100 s -1 were also reported.
In the living cell the enzyme most probably operates below the maximal possible rate, making tens of ATP molecules per second.

1) C. Etzold, G. Deckers-Hebestreit, and K. Altendorf. (1997) Turnover number of Escherichia coli F O F 1 - ATP synthase for ATP synthesis in membrane vesicles. Eur.J.Biochem. 243 (1-2):336-343.
2) R. L. Cross, C. Grubmeyer, and H. S. Penefsky. (1982) Mechanism of ATP hydrolysis by beef heart mitochondrial ATPase. Rate enhancements resulting from cooperative interactions between multiple catalytic sites. J.Biol.Chem. 257:12101-12105.
3) U. Junesch and P. Gräber. (1985) The rate of ATP synthesis as a function of Delta pH in normal and dithiothreitol-modified chloroplasts. Biochim.Biophys.Acta 809:429-434.

Proton translocation through FO

Although the Fo portion of the ATP synthase is often referred to as "proton(ic) channel", it is NOT a channel. It differs significantly from "real" proton channels (e.g. gramicidin, M2 from influenza virus, etc.). The most important distinction is that when being in conducting state, a membrane channel does not require conformational changes for proton translocation, while FO portion of ATP synthase does. The transfer rate is also too slow for a channel: at voltage of 100 mV textbooks give a rate of about 10 6 ions per second for an ion channel, more than 100-fold higher than the maximal corresponding values reported for FO portion. So the latter is a typical example of a proton transporter (the ability to operate as a pump is further confirming it - no channel can do that).
However, the term "proton channels" is often used for certain regions in the membrane proteins that are involved in proton translocation (e.g. proton channels in the cytochrome oxidase, or proton entrance channel in bacteriorhodopsin). As they never cross the entire membrane, they are sometimes called "proton half-channels".
The proton-translocating region of ATP synthase is formed by subunit a and c -subunit oligomer. There are two certain amino acid residues that are critically important for proton translocation. The first is an acidic residue (mostly Glu, in some organisms Asp) in the middle of the second transmembrane alpha-helix of subunit c . The second is an Arg at the last but one transmembrane helix of subunit a . Almost all mutations in those two residues result in a complete loss of activity. Several other important hydrophilic amino acid residues are located on subunit a , but their substitution leads only to a partial loss of activity.
The currently favored hypothesis of proton transport through ATP synthase is based on the stochastic rotary mechanism. It is presumed, that the conserved acidic residue on the c -subunit can be deprotonated (i.e. negatively charged) only when facing the protein-protein interface between a and c subunits, because it is energetically unfavorable to expose a charge into hydrophobic lipid bilayer.
Proton enters through one half-channel, binds to the unprotonated, negatively charged carboxyl group of the c -subunit conserved Glu (or Asp). The latter becomes electrically neutral and can now enter the hydrophobic lipid phase. As soon as it does, another c -subunit with protonated Glu (Asp) comes from the lipid phase into protein-protein interface area from the other side and releases its proton through the other half-channel. Carrying now a negative charge, it cannot go back, but can go one position forward and accept another proton from the first half-channel. The cycle is completed. Click here for an animated cartoon illustrating the mechanism above, or download a much nicer (and therefore much larger) movie from Prof. Junge's webpage!

What is Beta DELSEED sequence?

Beta DELSEED region is a part of subunit Beta that has amino acid sequence of -Asp-Glu-Leu-Ser-Glu-Glu-Asp- (hence the name: in single-letter amino acid code it is DELSEED). This fragment is highly conserved in all ATP synthases. However, its role is not completely clear. In bacterial ATP synthase from thermophilic Bacilos PS3 it was demonstrated that this region is essential neither for ATP hydrolysis nor for ATP-driven rotation of subunit Gamma in Alpha3-Beta3 complex, but plays a role in the inhibitory action of subunit Epsilon. It is likely that in Bacilos PS3 the negatively charged Asp and Glu residues interact with positively charged Lys and Arg in the C-terminal domain of Epsilon, and block hydrolysis.
It is probable that the same mechanism works in ATP synthase from other bacteria and in chloroplast enzyme. In mitochondrial ATP synthase such mechanism is unlikely, because subunit Delta (mitochondrial homologue of bacterial epsilon) lacks the important positive charges in its C-terminal domain.


ATP Synthase: A Molecular Motor

ATP synthase is a huge molecular complex (>500,000 daltons) embedded in the inner membrane of mitochondria. Its function is to convert the energy of protons (H + ) moving down their concentration gradient into the synthesis of ATP. 3 to 4 protons moving through this machine is enough to convert a molecule of ADP and Pi (inorganic phosphate) into a molecule of ATP. One ATP synthase complex can generate >100 molecules of ATP each second.

ATP synthase can be separated into 2 parts:

  • Fo - the portion embedded in the inner mitochondrial membrane and
  • F1-ATPase &mdash the portion projecting into the matrix of the mitochondrion.

This is why the intact ATP synthase is also called the FoF1-ATPase.

Kai F.1-ATPase is isolated in vitro, it catalyzes the hydrolysis of ATP to ADP and Pi (which is why it is called the F1-ATPase). While it is doing so, the central portion of Fo attached to the stalk rotates rapidly in a counter-clockwise direction (as viewed from above).

In the intact mitochondrion, the protons that have accumulated in the intermembrane space enter the Fo complex and exit from it into the matrix. The energy they give up as they travel down their concentration gradient rotates Fo and its stalk (at

6000 rpm) in a clockwise direction. As it does so, it induces repeating conformational changes in the head proteins that enable them to convert ADP and Pi into ATP. (In the figure, two of the three dimers that make up the head proteins have been pulled aside to reveal the stalk inserted in their center.)

In both these cases, the machine is converting chemical energy

  • from the hydrolysis of ATP in the in vitro case and
  • the flow of protons down their concentration gradient in the intact mitochondrion

into mechanical energy &mdash the turning of the motor.

But this remarkable device can be made to do the reverse, converting mechanical energy (turning of the motor) into chemical energy.

A group of Japanese scientists interested in nano-machines have succeeded in attaching magnetic beads to the stalks of the F1-ATPase isolated in vitro.

Then using a rotating magnetic field they were able to make the stalks rotate. When rotated in a clockwise direction, the F1-ATPase synthesized ATP from ADP and Pi in the surrounding medium &mdash at a rate of about 5 molecules per second! (When rotating the stalks in the counter-clockwise direction, or not rotating them at all, ATP was hydrolyzed into ADP and Pi.)

Their achievement was reported in Itoh, H., ir kt., Gamta, 29 January 2004.


Can ATP synthase work without a proton gradient?

ATP sintezė is driven by energy of proton concentration gradientas that moves the vandenilio ions (protons) from lumen of thylakoid membrane towards the stroma. Vadinasi, ATP sintezė requires presence of more vandenilio ions inside the membrane.

Beside above, how many protons does ATP synthase use? Since the gamma-subunit catalyses the formation of 1 ATP every 120 degrees, a full 360 degree rotation would yield 3 ATPs. This is where things go awry in my mind. Viduje 360 laipsnių, 10 protons and 3 ATPs are made. Thus, that makes (10/3) protons per ATP, or 3.33 protons/ATP.

Accordingly, how does a proton gradient drive synthesis of ATP?

The proton gradient gaminamas protonas pumping during the electron transport chain is used to synthesize ATP. Protons flow down their concentration gradientas into the matrix through the membrane protein ATP synthase, causing it to spin (like a water wheel) and catalyze conversion of ADP to ATP.

What happens if ATP synthase is inhibited?

9.13 The ATP Synthase Inhibitor Baltymas JEI Damage to the electron transport chain, increased proton leakage, or severe hypoxia can lower &Deltap such that the ATP sintazė reverses in the cell and starts to hydrolyse cytoplasmic ATP generated by glycolysis.