§5.9. F1f0-атФсинтаза

5.9.1. Структура

Фермент F₁F₀-АТФсинтаза является основным производителем АТФ в живом организме (в хлоропластах растений, в митохондриях животных или бактериях).

F₁F₀-АТФсинтаза состоит из двух достаточно крупных белковых комплексов F₁, F₀ и слегка изогнутой γ-субъединицы, имеющей вид стержня длиной ~9 нм, образованного двумя протяженными полипептидными цепями. Субъединица γ проходит через оба комплекса (рис. 5–14).

Встроенный в мембрану комплекс, называемый фактором сопряжения F₀, содержит протонопроводящий канал, обеспечивающий перенос протонов Н⁺ через мембрану. Фактор сопряжения F₁ находится в водной среде матрикса митохондрий (внутренняя часть митохондрий).

F₁F₀-АТФсинтаза содержит 8 основных субъединиц (см. рис. 5–14): . Ее молекулярная масса составляет ~530кДа. Мембранную часть F₀ образуют субъединицы , надмембранную часть F₁ – .

Субъединицы (полипептидные цепи которых у крупного рогатого скота содержат ~510 аминокислот) и субъединицы (~482 аминокислот) чередуются друг с другом, образуя гексамер , представляющий собой слегка сплющенный шар высотой 8 нм и шириной 10 нм.

В центральной области, соединяя комплексы F₀ и F₁, находятся субъединицы γ (~272 аминокислоты) и δ (~146 аминокислот). Вращение эксцентричной субъединицы γ внутри комплекса вызывает конформационные изменения в каталитических центрах . Субъединица ε (~50 аминокислот) выполняет функции регулятора активности фермента.

Рис. 5–14. Строение F₁F₀-ATФсинтазы. Комплекс F₀ встроен в мембрану и отвечает за перенос протонов через мембрану. Комплекс F₁ выполняет каталитические функции по синтезу/гидролизу АТФ

F₀ включает кольцо С_n, состоящее из n (в митохондриях дрожжей , у растений ) гидрофобных субъединиц С, практически полностью погруженных в мембрану. Субъединица а также гидрофобна. Две субъединицы b имеют короткие гидрофобные α-спиральные участки, погруженные в мембрану. Бо́льшая часть субъединиц b находится в водной среде матрикса. Их верхние концы закреплены на поверхности гексомера .

Три каталитических центра расположены на границах прилегающих друг к другу субъединиц и . Три основных аминокислотных остатка в каждом каталитическом центре принадлежат субъединице (β-Lys162, β-Arg189 и β-Glu188) и один – (α-Arg373). Они непосредственно окружают фосфатные группы молекул АТФ в активных центрах. Каждый центр может удерживать по одной молекуле АТФ или АДФ. Положительно заряженные группы β-Lys162, β-Arg189 и α-Arg373 экранируют отрицательные заряды, локализованные на атомах кислорода фосфатных групп АТФ. Отрицательно заряженная карбоксильная группа β-Glu188 участвует в активации молекулы воды в реакции гидролиза (5.16).

За расшифровку пространственной структуры белкового комплекса F₁ английскому исследователю Джеймсу Уокеру в 1997г. была присуждена Нобелевская премия.

5.9.2. Основные функции

F₁F₀-АТФсинтаза может функционировать в двух режимах. В одном режиме она осуществляет синтез АТФ (ATP) из АДФ (ADP) и органического фосфата Ф_i (P_i ↔ ),:

(5.20 а)

в другом – гидролиз АТФ:

. (5.20 б)

Реакция синтеза/гидролиза (5.20 а/б) является обратимой с константой равновесия (см. с. 256) близкой к единице.

Прямая реакция (5.20 а), требующая затрат энергии, сопряжена с транспортом Н⁺ из межмембранного пространства в матрикс митохондрий (рис.5-12). Избыточная концентрация ионов Н⁺ (и избыточный положительный заряд) вызывают движение ионов Н⁺ против градиента химического потенциала на мембране (см. с. 549, рис.5–12, 5–13), следствием чего является возникновение момента внешней силы и направленное движение ротора биологического мотора. В результате становится возможным синтез АТФ.

При переходе одного протона в матрикс выделяется энергия , где – число Фарадея, е – заряд электрона, (5.17) – электрохимический потенциал, выраженный в вольтах и приходящийся на один ион водорода . При переходе n протонов выделяется энергия (энергия₁ в 5.20 а)

, (5.21)

которая расходуется на синтез АТФ. Скорость синтеза ~100-300 молекул в секунду.

Обратная реакция (5.20 б) – реакция гидролиза АТФ, сопровождается выделением энергии

, (5.22)

которая затрачивается на вращение ротора биологического мотора и на перенос протонов Н⁺ из матрикса в межмембранную среду по градиенту химического потенциала , то есть приводит к возрастанию . В этом режиме F₁F₀-АТФсинтаза работает как протонный насос, перекачивающий протоны Н⁺ из матрикса, в межмембранное пространство, где их концентрация выше. Таким способом АТФсинтаза поддерживает оптимальную величину градиента трансмембранного химического потенциала.

Таким образом, в процессе работы синтез/гидролиз АТФсинтазы осуществляется взаимное превращение двух форм клеточной энергии . Например, в процессе синтеза энергия протонного тока через фактор F₀ конвертируется в энергию АТФ в факторе сопряжения F₁. Энергия протонного тока за счет процессов протонирования приводит к структурным перестройкам F₁, что в свою очередь изменяет сродство активного центра фермента к молекулам АТP, АDP и P_i.

Режим работы F₁F₀-АТФсинтазы зависит от соотношения энергий и , то есть от величин концентраций АТФ и АДФ в матриксе и величины трансмембранного потенциала, составляющего в норме (160÷220) мВ.