ATP syntase

Fra Wikipedia, den frie encyklopædi
Gå til: navigation, søg

ATPsyntase er den almindelige betegnelse for et enzym, der kan danne ATP ud fra ADP og uorganisk fosfat under forbrug af én eller anden form for energi. Den energi findes ofte som protoner, der føres ned langs en elektrokemisk gradient, sådan som det sker i grønkornene og mitokondrierne. Den generelle rækkefølge i processen er sådan:

ADP + Pi → ATP

Disse enzymer er afgørende vigtige i næsten alle organismer, for ATP er cellernes ”energi-møntfod”.

Det antibiotiske stof, oligomycin, har sin virkning ved at hæmme FO enheden i ATP syntase.

Struktur and nomenklatur[redigér | redigér wikikode]

Man har længe forsket i mitokondriernes F1FO ATP syntase.

  • FO delen findes i membranen.
  • F1 delen findes oven over membranen.

Nomenklaturen for enzymet har en lang og forvirret historie. F1-fraktionen har sit navn fra udtrykket "Fraktion 1", mens FO (skrevet som "O" og med sænket skrift, ikke som "nul") har sit navn fra at være oligomycinets bindingsfraktion.

Hvis man bruger enzymet hos okser som eksempel, har mange af underenhederne alfabetnavne:

  • Græske bogstaver: alpha, beta, gamma, delta, epsilon...
  • Romerske bogstaver: a, b, c, d, e, f, g, h...

Andre har mere komplicerede navne:

  • F6 (af "Fraktion 6")
  • OSCP (”oligomycin sensitivity conferral protein”)
  • A6L (benævnt efter det gen i mitokondriegenomet, som koder for enheden)
  • IF1 (inhibitory factor 1)

F1-enheden er stor og kan ses i et transmissions-elektronmikroskop, blot det er negativt farvet.[1] Det er enheder på 9 nm i diameter, som er fordelt ud over mitokondriets indre membran. De blev først kaldt elementarenheder, og man mente, at de rummede hele åndingsmekanismen hos mitokondriet, men gennem en lang række eksperimenter kunne Ephraim Racker og hans kolleger (der isolerede F1-enheden for første gang i 1961) vise, at denne enhed har forbindelse til ATPase aktiviteten hos frie mitokondrier og med ATPase aktiviteten hos andre underenheder i mitokondrierne. Denne ATPase aktivitet blev yderligere knyttet til dannelsen af ATP gennem en lang række eksperimenter i mange forskellige laboratorier.

Mekanismen ”bundet ændring”[redigér | redigér wikikode]

I løbet af 1960'erne og 1970'erne udviklede Paul Boyer sit begreb om en ”bundet ændring-” eller flip-flop-mekanisme, som påstod, at ATPsyntesen er forbundet med en samtidig ændring hos ATPsyntase, som igen skyldes en rotation af gammaenheden. John E. Walkers forskergruppe, dengang hos MRC Laboratory of Molecular Biology i Cambridge, men i dag hos MRC Dunn Human Nutrition Unit (ligeledes i Cambridge) krystalliserede F1, det katalytiske sted hos ATPsyntase. Strukturen var på det tidspunkt den største kendte, assymmetriske proteinstruktur, og den viste, at Boyers roterende katalysemodel var korrekt i store træk. Disse opdagelser gav Boyer og Walker hver en kvart Nobelpris i kemi for 1997. Jens Christian Skou modtog samme år den resterende halve pris i kemi "for den første opdagelse af et iontransporterende enzym, Na+, K+-ATPase"

ATPsyntasens mekanisme. ATP vises i rødt, ADP og fosfat i pink og den roterende γ-enhed i sort.

Krystalstrukturen hos F1 viste vekslende alfa- og beta-underenheder (3 af hver), der er ordnet som segmenterne i en appelsin rundt om en asymmetrisk gamma-underenhed. Ifølge den nuværende model for ATPsyntesen (der er kendt som den skiftevise katalytiske model) igangsættes protonbevægelsen gennem den indre membran i mitokondriet med energi fra elektrontransportkæden, og det styrer passagen af protoner gennem membranen via FO enheden hos ATPsyntase. En del af FO (ringen af ATPsyntase ”C|c-underenheder”) roterer, når protoner passerer gennem membranen. Denne C|c-ring er tæt knyttet til den centrale, asymmetriske stilk (som hovedsageligt består af gamma-underenheden), og den roterer inden i alpha3beta3 underenheden af F1 og bevirker, at de 3 katalytiske nukleotid-bindingssteder gennemgår en serie af formændringer, der fører til dannelse af ATP. Under de rette betingelser kan enzymprocessen også gå den modsatte vej, sådan at en nedbrydning af ATP skaber energi til at pumpe protoner gennem membranen.

Processen med ”bundet ændring” er afhængig af det aktive sted hos en β-underenhed, der kredser rundt mellem tre stadier.[2] I den ”åbne” tilstand når ADP og fosfat frem til det aktive sted (dette vises med brun farve i diagrammet til højre). Derpå lukker proteinet sig omkring molekylerne og holder løst på dem – den ”løse” tilstand (vist i rødt). Så undergår enzymet endnu en formændring og presser disse molekyler mod hinanden, hvorved det aktive sted går ind i den ”lukkede” tilstand (vist i pink) og binder det nydannede ATPmolekyle. Til slut vender det aktive sted tilbage til den ”åbne” tilstand, frigiver ATP og binder nyt ADP og fosfat, sådan at der gjort klar til den næste runde af ATP-produktion.

Fysiologisk rolle[redigér | redigér wikikode]

Ganske som hos andre enzymer kan processen vendes hos F1FO ATPsyntase. I et miljø med store mængder tilgængeligt ATP skaber stoffet en membrankrydsende protongradient. Det udnytter fermenterende bakterier, der ikke har nogen elektrontransportkæde, og de spalter ATP for at lave denne protongradient, som de bruger i deres flagella og i transport af næringsstoffer ind i cellen.

Hos bakterier, der normalt har ånding, virker ATPsyntase almindeligvis den modsatte vej. Her dannes der ATP under udnyttelse af en protonstrøm, der har elektrontransportkæden som energikilde. Den proces at skabe energi på denne måde kaldes oxidativ fosforylering.

Den samme proces foregår hos mitokondrierne, hvor ATPsyntase er placeret i den indre membran (sådan at F1-delen stikker ind i mitokondriets matrix, hvor ATPsyntesen foregår).

ATPsyntase hos forskellige organismer[redigér | redigér wikikode]

Planters ATPsyntase[redigér | redigér wikikode]

Hos planter findes ATPsyntase også i grønkornene Enzymet er indbygget i tylakoidmembranen, sådan at CF1-delen stikker ind i stroma, hvor de ikke-lysafhængige processer i fotosyntesen (også kaldet Calvin cyklus) og ATP-syntesen finder sted. Den overordnede struktur og den katalytiske mekanisme hos grønkornenes ATPsyntase er næsten den samme som hos mitokondriernes enzym. Dog skabes protonbevægelsen hos grønkornene ikke ved en elektrontransportkæde, der skyldes ånding, men derimod aktiviteten hos de primære fotosynteseproteiner.

ATPsyntase hos Escheria coli[redigér | redigér wikikode]

Escheria colis ATPsyntase er den enkleste, kendte form for ATPsyntase med kun 8 forskellige typer underenheder.

ATPsyntase hos gær[redigér | redigér wikikode]

Gærs ATPsyntase er en af de bedst beskrevne, eukaryotiske ATPsyntaser, hvor man har identificeret fem F1, otte FO underenheder og syv tilknyttede proteiner[3] De fleste af disse proteiner har homologe enheder hos andre eukaryoter.[4]

Udvikling af ATPsyntase[redigér | redigér wikikode]

Udviklingen af ATPsyntase menes at være et eksempel på modulær evolution, hvor to underenheder med hver deres egen funktion er blevet forbundet med hinanden og har fået en ny virkning. F1-enheden viser en vigtig lighed med hexamere DNAhelikaser, og FOenheden viser nogen lighed med flagellaters H+-drevne bevægelsessystemer.

α3β3 hexameret hos F1enheden viser betydningsfulde, strukturelle ligheder med heksamere DNAhelikaser. Begge danner en ring med 3-dobbelt rotationssymmetri og en central pore. Begge har også funktioner, der bygger på den relative rotation hos et makromolekyle inden i poren. DNAhelikaserne bruger spiralformen hos DNA til at styre deres bevægelse langs DNA-molekylet for at opdage steder med overdreven krølning, mens α3β3-heksameret bruger normale ændringer, fremkaldt af γ-enhedens rotation, for at kunne styre en enzymreaktion.

Den protondrevne FO-enhed viser store, funktionelle ligheder med protonmotorerne hos flagellaters flagellum. Begge steder finder man en ring af mange små alfa-spiral proteiner, som roterer i forhold til stationære proteiner i nærheden ved at bruge en protongradient som energikilde. Det er dog en skrøbelig sammenligning, for den overordnede struktur hos flagellaternes bevægesystem er meget mere komplekst end FO-enheden, og ringen af roterende proteiner er meget større end den hos FOkomplekset, (ca. 30 over for 10, 11 eller 14).

The modular evolution theory for the origin of ATP synthase suggests that two subunits with independent function, a DNA helicase with ATPase activity and a H+ motor, were able to bind, and the rotation of the motor drive the ATPase activity of the helicase in reverse. This would then evolve to become more efficient, and eventually develop into the complex ATP synthases seen today. Alternatively the DNA helicase/H+ motor complex may have had H+ pump activity, the ATPase activity of the helicase driving the H+ motor in reverse. This could later evolve to carry out the reverse reaction and act as an ATP synthase.

See also[redigér | redigér wikikode]

Underenheder af ATP syntase[redigér | redigér wikikode]

  1. ATP synthase alpha/beta enhed
  2. ATP synthase delta enhed
  3. ATP synthase gamma enhed
  4. ATP synthase enhed C

Noter[redigér | redigér wikikode]

  1. Fernandez-Moran et al., Journal of Molecular Biology, Vol 22, p 63, 1962
  2. M.J. Gresser, J.A. Myers og P.D. Boyer: Catalytic site cooperativity of beef heart mitochondrial F1 adenosine triphosphatase. Correlations of initial velocity, bound intermediate, and oxygen exchange measurements with an alternating three-site model i Journal of Biological Chemistry, 1982, vol. 257, nr. 20, side 12030–8 Se teksten online
  3. J. Velours, P. Paumard P og V. Soubannier m.fl.: Organisation of the yeast ATP synthase F(0):a study based on cysteine mutants, thiol modification and cross-linking reagents i Biochimica et Biophysica Acta, 2000, vol. 1458, nr. 2-3, side 443–56
  4. R.J. Devenish, M. Prescott, X. Roucou og P. Nagley: Insights into ATP synthase assembly and function through the molecular genetic manipulation of subunits of the yeast mitochondrial enzyme complexi Biochimica et Biophysica Acta, 2000, vol. 1458, nr. 2-3, side 428–42

Eksterne henvisninger[redigér | redigér wikikode]