ATP Sintasa

Introducción

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 + P_i + nH⁺_p → ATP + H₂O + nH⁺_P

F₁ cataliza la síntesis, que es fuertemente endergónica, de ATP a partir de P_i 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 + P_i 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 P_i. El siguiente estado es la conformación T que sigue la condensación del ADP y P_i 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 P_i, 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 P_i 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 P_i 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 P_i 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 P_i 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