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 in molekulsko maso 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 Foα 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 spodajβ 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 Mechanism of the F1Fo-type ATP synthase, a biological rotary motor. Trends in Biochemical Sciences 27(3):
Voet D., Voet J.G Biochemistry. 3rd edition. USA, Wiley:
Koolman J., Roehm K.H Color atlas of biochemistry. 2nd edition. Stuttgart, Thieme:
ATP synthase - the rotary engine in the cell ( )