ATP
Sintasa
La ATP
sintasa, también conocida como ATP sintasa bomba de protones y ATPasa-F1F0,
es una proteína transmembrana multisubunitaria con una masa molecular total
de 450 kDa.
Efraim
Racker descubrió que la ATP sintasa mitocondrial está compuesta de dos unidades
funcionales, F0 Y F1. La primera es una proteína
transmembrana insoluble en agua que contienen hasta ocho tipos diferentes de
subunidades. F1 es una proteína de membrana periférica soluble en
agua, compuesta de cinco tipos de subunidades, que se disocian con facilidad y reversiblemente
a partir de F0 por tratamiento con urea. F1 solubilizada hidroliza
el ATP pero no puede sintetizarlo.
Componente F1
El
componente F1 de la ATP sintasa mitocondrial tiene la composición
subunitaria α3β3γδε. Las subunidades α y β que son un 20% idénticas
en secuencia y tienen plegamientos casi idénticos, se acomodan alternadamente,
como laos gajos de una naranja, alrededor de la porción superior de una hélice de
90 A de longitud formada por el segmento C-terminal de la subunidad. La porción
más baja de la hélice forma una curvatura espiral superenrollada antiparalela
de mano izquierda con el segmento N-terminal de la subunidad γ. Esta espiral
superenrollada es parte del tallo que une F1 a F0
El
ordenamiento cíclico y las similitudes estructurales de las subunidades α y β
de F1 le otorgan una simetría rotacional seudotriple y
seudoséxtuplo. Sin embargo, la proteína es asimétrica debido a la presencia de
la subunidad γ pero, más importante aún, porque las subunidades α y β adopta una conformación diferente, cada una
con una afinidad distinta por el sustrato. De esta manera, una subunidad β se
una a una molécula de un análogo de ATP no hidrolizable, la segunda se une a
ADP y la tercera tiene un sitio de unión distorsionado y vacío. Sólo las
subunidades β catalizan la reacción de síntesis de ATP, aunque las subunidades
α también se une al ATP.
Componente
F0
El
componente F0 de las ATPasas-F1F0
mitocondriales y bacterianas se compone de numerosas subunidades. En E. coli
tres subunidades de membrana -a, b y c- forman un complejo a1b2c9-12. F0
mitocondrial contiene subunidades adicionales cuyas funciones no están
aclaradas.
La
estructura por RM de la subunidad c de E. coli de 79 residuos se compone de dos
hélices α de diferente longitud conectadas por un bucle polar de cuatro
residuos y acomodadas en una espiral superenrollada antiparalela en forma de
banana.
Mecanismo
de la Síntesis de ATP
La síntesis de ATP se escribe algunas veces como:
ADP + Pi + nH+p →
ATP + H2O + nH+P
F1 cataliza la síntesis, que es fuertemente endergónica, de
ATP a partir de Pi y ADP. Mecánicamente se impulsa la reacción
catalítica con la fuerza protomotriz del gradiente de protones a través de la
membrana mitocondrial causando el movimiento de giro del anillo c, γ está unida
al anillo c, provocándole movimientos de rotación. Cada rotación de 120º de la
subunidad γ induce la aparición de cambios de conformación en los centros
catalíticos de las unidades β del los dímeros α y β, de forma que los centros
de fijación de nucleótidos van alternando entre tres estados:
Estado O = estado abierto, L = unión libre y T= unión tensa (en inglés, tight).
Aunque la composición de aminoácidos de las tres
subunidades β es idéntica, sus conformaciones difieren en parte por la
asociación a al subunidad γ.
Los dímeros α y β son asimétricos, cada uno de ellos presenta una
conformación diferente en cada estado. Las tres subunidades β interaccionan de
tal modo que, cuando una adopta la conformación O, otra ha de adoptar la
conformación L y la del otro una conformación T. La conformación T posee mayor
afinidad para ATP que para ADP + Pi y disminuye con ello la constante de velocidad de la reacción en valores cercano a uno; es
decir, substrato y producto se encuentran en condiciones estándar, cerca de la equimolaridad.
La síntesis de ATP se inicia en el estado L con la unión de ADP y Pi.
El siguiente estado es la conformación T que sigue la condensación del ADP y Pi a
ATP con la formación de un enlace fosfodiéster. Finalmente, el estado O deja
libre el producto ATP y vuelve nuevamente al estado L iniciando nuevamente la
siguiente ronda de síntesis. Por lo tanto, una rotación completa de la
subunidad γ provoca que cada subunidad β se cicle a través de sus tres
conformaciones posibles y en cada rotación se sintetizan y se liberan de la
superficie del enzima tres moléculas de ATP. La interconvención conducida por
protones, direccional y cíclica, de los estados O, L y T, permite una
producción continua. Este mecanismo se conoce como mecanismo de cambio de la
fijación.
El paso dependiente de energía no es la síntesis de ATP sino su liberación
de un lugar de unión compacta. Esta liberación se produce por la rotación de γ
que requiere energía, que impulsa los cambios conformacionales de los dímeros α
y β. Está liberación se produce simultáneamente con la unión del ADP y el Pi,
que se habían unido previamente, se unen a un lugar T para experimentar una
conversión espontánea a ATP, mientras que el lugar O, del que se liberó el ATP,
une otro ADP y Pi para empezar de nuevo el proceso.
Acoplamiento
del transporte electrónico y la síntesis de ATP
El gradiente electroquímico acopla el ritmo de la cadena de
transporte electrónico con el ritmo de la síntesis de ATP. Debido a que el
flujo electrónico necesita el bombeo de protones, el flujo electrónico no puede
producirse más rápidamente que la utilización de los protones para síntesis de
ATP (fosforilación oxidativa acoplada), significando en una
relación estrechamente acoplada entre la oxidación y
la fosforilación.
Esto
conlleva a que los sustratos se oxidan, los electrones se transportan y el
oxígeno se consumó tan sólo cuando se requiere la síntesis de ATP.
Desacopladores sintéticos
Se trata de un fenómeno donde los
protones retornan a la matriz sin pasar por la ATP sintasa, lo que implica la
no generación de ATP. El desacoplamiento es provocado por compuestos químicos,
conocidos como desacopladores o como ionóforos protónicos. Los desacoplantes
suelen ser compuestos hidrofóbicos (bases o ácidos débiles),
con un pKa cercano al pH 7, captan protones
rápidamente en el espacio intermembrana. Su liposolubilidad les permite
difundir a través de la membrana mitocondrial interna transportando los
protones liberándolos en el lado de la matriz. La entrada rápida de protones
disipa el gradiente de potencial electroquímico, por tanto la ATP sintasa es
incapaz de sintetizar ATP, implicando a que la membrana interna pierde su
integridad estructural y por tanto las mitocondrias también. En este caso se dice que son porosas (leaky).
Proteínas desacopladoras (UCP)
Ocurre
en la membrana mitocondrial interior de los mamíferos. Estas proteínas permiten
que los protones reingresen en la matriz mitocondrial sin que se capture
energía en forma de ATP.
Inhibidores de la ATP sintasa
La oligomicina se fija en el tallo de la ATP sintasa,
inhibiendo el canal de protones, por tanto previniendo el reingreso de protones
en la matriz mitocondrial. Como los gradientes de pH y eléctricos no se pueden
disipar en presencia de la oligomicina, el transportador de protones se detiene
por la dificultad para el bombeo de más protones contra los gradientes muy
inclinados. Causa una acumulación de protones en el espacio intermembrana.
Transporte
de ATP y ADP
La
fuerza protón-motriz también sirve para impulsar varios procesos de transporte
esenciales para la fosforilación oxidativa, aunque el papel principal del
gradiente de protones en las mitocondrias es suministrar energía para la
síntesis de ATP. La membrana mitocondrial interior necesita transportadores
especializados para el ADP y Pi desde
el citosol hacia el interior de la mitocondria,
al sitio donde se puede resintetizar a ATP, ya que la membrana mitocondrial
interna es generalmente impermeable a las moléculas con carga. Por tanto hay
dos sistemas específicos que transportan ADP y Pi a la matriz y ATP hacia el citosol
externo. Un transportador de nucleótidos de adenina translocasa y fosfato
translocasa son los dos sistemas que intervienen. La nucleótido de adenina translocasa
une ADP y es por tanto la encargada en transportar una molécula de ADP desde el
citosol hacia el interior de la mitocondria, a la vez que exporta un ATP desde
la matriz de nuevo hacia el citosol. Fosfato translocasa transporta en Pi junto con un protón a la matriz.
La
toxina de las plantas atractilósido inhibe de manera poderosa al transportador,
lo que resulta en un agotamiento de la reserva de ADP intramitrocondrial e
interrupción de la producción de ATP.
Deficiencia de la ATP sintasa
Los trastornos de la fosforilación
oxidativa mitocondrial (OXPHOS) causan un grupo altamente diverso de
enfermedades que afectan principalmente a los tejidos que exigen energía, tales
como el sistema nervioso, el músculo esquelético y el
corazón. Los defectos genéticos generan mutaciones en
el DNA mitocondrial (mtDNA)
como en los genes nucleares. Mutaciones en el DNA nuclear se involucran con más
frecuencia en enfermedades pediátricas de deficiencia mitocondrial que las
mutaciones del mtDNA. Los trastornos mendelianos del OXPHOS pueden afectar a
todos los complejos de la cadena respiratoria, sobre todo del complejo I y IV,
mientras que los trastornos de la ATP sintasa se han reportado con menos
frecuencia.
Bibliografía
·
Donald Voet, Judith G. Voet, Charlotte W. Pratt.
Fundamentos de Bioquímica. La vida a nivel molecular.
2ª Edición.
· David L. Nelson, Michael M. Cox
Lehninger. Principios de Bioquímica.
4ª Edición.
· www.wikipedia.org
