Struktura in funkcija F 1 F 0 ATP sintaze

1. Struktura in funkcija F1F0 ATP sintaze Seminar pri predmetu Biokemija Avtor: Blaž Banič

2. Produkcija ATP je ena večjih kemičnih reakcij v organizmih • Človek na dan porabi okoli 40 kg ATP • Če je nukleotidni “pool” 100 mmol, se mora vsaka molekula ADP fosforilirati in vsaka molekula ATP defosforilirati okoli 1000 x dnevno • Encim, ki je neposredno odgovoren za produkcijo ATP je F1F0 ATP sintaza ATP

3. Lokacija in struktura F1F0 sintaze • Ta velik kompleks najdemo v celični membrani prokariontov, v tilakoidnih membranah kloroplastov pri rastlinah in v notranji mitohondrijski membrani pri rastlinah in živalih • Pri prokariontih ima ta kompleks 8 različnih podenot • Pri sesalcih jih ima 16-18 in molekulsko maso 550-650 kDa

4. ATP sintaza je iz dveh delov • Del F1 je sestavljen iz podenot α3,β3,γ,δ in ε • Del Fo (“oligomycin- sensitive”) je sestavljen iz podenot a, b in c (pri prokariontih), ki so v stohiometričnem razmerju 1:2:10-14 • Če oba dela disociirata, ohranita posamezno funkcijo (F1 je ATPaza, Fo pa translocira H+, vendar pasivno in v obeh smereh)

5. Struktura enote F1 ter podenote c iz Fo α β N C β α β α Matriks γ Fo, podenota c F1 F1

6. F1 in Fo sta povezani z dvema pecljema • Centralni, ki vsebuje γ in ε podenoti • Stranski (periferni), ki vsebuje δ in b podenoti • Pri sesalcih so dodatne podenote večinoma prisotne v območju pecljev

7. Funkcija in delovanje ATP sintaze • F1Fo ATP sintaza lahko ob prisotnosti prekomembranske razlike v koncentraciji H+ tvori ATP iz ADP in Pi • Prav tako pa lahko v obratni smeri s hidrolizo ATP preko membrane premika H+ ione iz območja manjše koncentracije na območje z večjo koncentracijo

8. Iz funkcijskega gledišča je F1Fo ATP sintaza sestavljena iz statičnega dela (stator) in iz rotirajočega dela (rotor) • Stator je sestavljen iz α3, β3, δ, a in b2 podenot • Rotor pa je sestavljen iz γ, ε in c podenot • Stator ni popolnoma rigidna struktura – njegova fleksibilnost je pomembna za delovanje tega encima

9. Dokazi za rotacijo rotorja • Sprva so bili znanstveniki skeptični glede rotacije • Nekaj inovativnih biokemičnih poskusov pa je pokazalo, da je rotacija prisotna (“X-ray” analiza, e- mikroskopija, “video fluorescence microscopy” in kemično povezovanje podenot) Noji et al. – vezava fluorescentno označenega aktina na γ podenoto

10. Delovanje F1Fo ATP sintaze • Mehanizem sinteze ATP lahko razdelimo na tri dele: • Translokacija H+, ki jo vrši Fo • Kataliza tvorbe fosfoanhidridne vezi ATP, kar vrši F1 • Sklopitev manjšanja protonskega gradienta s sintezo ATP, kar zahteva sodelovanje F1 in Fo

11. F1 ima tri izmenjujoče katalitične protomere, od katerih je vsaka v drugačni konformaciji L... “loose” – vezavno mesto kamor se vežeta ADP in Pi T... “tight” – L se po vezavi ADP in Pi konformacijsko spremeni v T stanje, kjer se vezana ADP in Pi z zelo malo porabljene proste energije povežeta v ATP. Istočasno se tudi drugi podenoti konformacijsko spremenita: T  O in O  L O... “open” – ko je podenota v taki konformaciji, se vezan ATP sprosti

12. Podenota γ sklopi rotacijo podenot c s konformacijskimi spremembami katalitičnih mest v F1 • Protoni preko kanala, ki je med podenotami a in c (v notranji membrani), prehajajo iz medmembranskega prostora v matriks in pri tem povzročajo rotacijo skupka podenot c. • Te so povezane s podenoto γ, ki tako tudi rotira ter povzroča konformacijske spremembe katalitičnih mest v β podenotah

13. Pogled na F1 kompleks od spodaj β α β α γ α β Rumeno... Podenote α Rdeče in zeleno... Podenote β (rdeči deli se najbolj spreminjajo) Modro in sivo... Podenota γ

14. Literatura • Capaldi R. A., Aggeler R. 2002. Mechanism of the F1Fo-type ATP synthase, a biological rotary motor. Trends in Biochemical Sciences 27(3): 154-160 • Voet D., Voet J.G. 2004. Biochemistry. 3rd edition. USA, Wiley: 827-833 • Koolman J., Roehm K.H. 2005. Color atlas of biochemistry. 2nd edition. Stuttgart, Thieme: 142-143 • ATP synthase - the rotary engine in the cell (15.11.2006) http://www.res.titech.ac.jp/~seibutu/projects/f1_e.html