Categories
Природа

АТФ-синтаза

Аденозинтрифосфатсинтаза – фермент класу гідролази, що синтезує аденозинтрифосфат з аденозиндифосфату і неорганічних фосфатів. АТФ-синтаза складається з 2-х великих фрагментів (F1 і F0). Фактор сполучення F1 звернений у бік матриксу мітохондрії і помітно виступає з мембрани у вигляді сферичного утворення заввишки 8 нм і завширшки 10 нм. Він складається з 9 субодиниць, які представлені п’ятьма типами білків.

Поліпептидні ланцюги трьох субодиниць α і стількох же субодиниць β покладені в схожі за будовою білкові глобули, які разом утворюють гексамери (αβ)3, що мають вигляд злегка сплюснутої кулі. Послідовно розташовані субодиниці α і β утворюють структуру, що характеризується віссю симетрії третього порядку з кутом повороту 120°.

У центрі цього гексамеру знаходиться субодиниця γ, яка утворена двома протяжними поліпептидними ланцюгами і нагадує злегка деформований вигнутий стрижень довжиною близько 9 нм. При цьому нижня частина субодиниці γ виступає з кулі на 3 нм в сторону мембранного комплексу F0. Всередині гексамерів – мінорна субодиниця ε, пов’язана з γ. Остання дев’ята субодиниця позначається символом δ і розташована на зовнішній стороні F1.

АТФ-синтаза
Поліпептидні ланцюги

Мембранна частина АТФ-синтази, яка називається фактором сполучення F0, являє собою гідрофобний білковий комплекс, який пронизує мембрану наскрізь і має всередині себе два напівканали для проходження протонів водню. Всього до складу комплексу F0 входить одна білкова субодиниця типу а, дві копії субодиниці b, від 9 до 12 копій дрібної субодиниці c.

Субодиниця а (молекулярна маса 20 кДа) повністю занурена в мембрану, де утворює шість α-спіральних ділянок, які перетинають її. Субодиниця b (молекулярна маса 30 кДа) містить лише одну порівняно коротку занурену в мембрану α-спіральну ділянку. Інша її частина помітно виступає з мембрани в бік F1 і закріплюється за розташовану на її поверхні субодиницю δ.

Кожна з 9-12 копій субодиниці c (молекулярна маса 6-11 кДа) являє собою порівняно невеликий білок з двох гідрофобних α-спіралей, з’єднаних одна з одною короткою гідрофільною петлею, орієнтованою в сторону F1, а всі разом утворюють єдиний ансамбль, який має форму зануреного в мембрану циліндра. Виступаюча з комплексу F1 в сторону F0 субодиниця γ занурена всередину цього циліндра і досить міцно зачеплена за нього.

В молекулі АТФ-синтази можна виділити дві групи білкових субодиниць, які уподібнені до двох деталей мотора: ротора і статора. Нерухомий щодо мембрани «статор» включає в себе кулястий гексамер (αβ)3, субодиницю δ, що знаходиться на поверхні цього статора, а також субодиниці a і b мембранного комплексу F0. Рухливий відносно цієї конструкції «ротор» складається з субодиниць γ і ε, які, помітно виступаючи з комплексу (αβ)3, з’єднуються із зануреним в мембрану кільцем з субодиниці c.

АТФ-синтаза
Мітохондрія

Здатність синтезувати АТФ-властивість єдиного комплексу F0F1 сполучена з переносом протонів водню через F0 до F1, в останньому з яких розташовані каталітичні центри, що здійснюють перетворення АДФ і фосфат в молекулу АТФ. Рушійною силою для роботи АТФ-синтази є протонний потенціал, який створюється на внутрішній мембрані мітохондрій в результаті роботи ланцюга електронного транспорту.

Сила, що приводить в рух «ротор» АТФ-синтази, виникає при досягненні різниці потенціалів між зовнішньою і внутрішньою сторонами мембрани 220 мВ і забезпечується потоком протонів, що протікають через спеціальний канал в F0, розташований на кордоні між субодиницями a і c. При цьому шлях перенесення протонів включає в себе наступні структурні елементи:

– два розташованих неспіввісно «напівканали», перший з яких забезпечує надходження протонів з міжмембранного простору до істотно важливих функціональних груп F0, інший забезпечує їхній вихід у матрикс мітохондрії;

– кільце з субодиниць c, кожна з яких у своїй центральній частині містить карбоксильну групу, здатну приєднувати з міжмембранного простору H+ (іон водню, протон) і віддавати їх через відповідні протонні канали. В результаті періодичних зміщень субодиниць c, обумовлених потоком протонів через протонний канал, відбувається поворот субодиниці γ, зануреної в кільце з субодиницею c.

Таким чином, каталітична активність АТФ-синтази безпосередньо пов’язана з обертанням її «ротора», при якому поворот субодиниці γ викликає одночасну зміну конформації всіх трьох каталітичних субодиниць β, що в кінцевому рахунку і забезпечує роботу ферменту. При цьому в разі утворення АТФ «ротор» крутиться за годинниковою стрілкою зі швидкістю чотири оберти за секунду, а саме подібне обертання відбувається дискретними стрибками по 120°, кожен з яких супроводжується утворенням однієї молекули АТФ.

АТФ-синтаза
Внутрішні двигуни організму. АТФ-синтаза

Безпосередня функція синтезу АТФ локалізована на β-субодиниці комплексу F1, що сполучений з нею. При цьому найпершим актом в ланцюзі подій, що призводить до утворення АТФ, є зв’язування АДФ і фосфату з активним центром вільної β-субодиниці, що знаходиться в стані 1. За рахунок енергії зовнішнього джерела (струму протонів) в комплексі F1 відбуваються конформаційні зміни, в результаті яких АДФ і фосфат стають міцно пов’язаними з каталітичним центром (стан 2), що сприяє формуванню ковалентного зв’язку між ними і веде до утворення АТФ. На даній стадії ферменту АТФ-синтазі майже не потрібно енергії, яка буде необхідна на наступному етапі для звільнення міцно зв’язаної молекули АТФ з ферментативного центру.

Тому наступний етап роботи ферменту полягає в тому, щоб в результаті енергозалежної структурної зміни комплексу F1 каталітична β-субодиниця, що містить міцно пов’язану молекулу АТФ, перейшла в стан 3, в якому зв’язок АТФ з каталітичним центром ослаблений. В результаті цього молекула АТФ покидає фермент. β-субодиниця повертається в початковий стан 1, завдяки чому забезпечується циклічність роботи ферменту.

АТФ-синтаза
Будова FoF1 АТФ-синтази

Робота АТФ-синтази пов’язана з механічними рухами її окремих частин, що дозволило віднести цей процес до особливого типу явищ, названих «обертальним каталізом». Подібно до того, як електричний струм в обмотці електродвигуна приводить в рух ротор щодо статора, спрямований перенос протонів через АТФ-синтетазу викликає обертання окремих субодиниць фактора сполучення F1 щодо інших субодиниць ферментного комплексу, в результаті чого цей унікальний енергоутворюючий пристрій здійснює хімічну роботу – синтезує молекули АТФ. Надалі АТФ надходить в цитоплазму клітини, де витрачається на найрізноманітніші енергозалежні процеси.

Див. також: Як збільшити енергетику організму

Подібне перенесення здійснюється спеціальним вбудованим в мембрану мітохондрій ферментом АТФ/АДФ-транслоказою, який обмінює знову синтезовану АТФ на цитоплазматичну АДФ, що гарантує збереження фонду аденілових нуклеотидів всередині мітохондрій. ДНК мітохондрій успадковуються майже виключно по материнській лінії.

Кожна мітохондрія має кілька ділянок нуклеотидів в ДНК, ідентичних у всіх мітохондріях (тобто в клітині багато копій мітохондріальних ДНК), що дуже важливо для мітохондрій, нездатних відновлювати ДНК через пошкодження (спостерігається висока частота мутацій). Мутації в мітохондріальній ДНК є причиною цілого ряду спадкових захворювань людини.

Джерело