ATP sintasa

Archivo:ATPsynthase labelled.png

Estructura de la ATP-sintasa; el canal protónico está marcado en azul y la subunidad sintasa, en rojo.

El complejo ATP sintasa (EC 3.6.3.14) también denominada complejo V o F_oF₁-ATP-sintasa (F = factor de acoplamiento, en inglés coupling factor) y también conocida como ATP-asa, por su funcionamiento, hidróliza el ATP. Es una enzima situada en la cara interna de la membrana interna de las mitocondrias y de la membrana de los tilacoides de los [cloroplasto]s encargada de sintetizar ATP a partir de ADP y un grupo fosfato y la energía suministrada por un chorro protón (H⁺). Responde a la síntesis de ATP según la hipótesis quimiosmótica de Mitchell. La síntesis de ATP gracias a este enzima se denomina del ADP. La ATP sintasa se puede observar como un motor molecular que produce una gran cantidad de ATP cuando los protones fluyen a través de ella. La tasa de síntesis es grande, el organismo humano en fase de reposo puede formar unas 10²¹ moléculas de ATP por segundo.​ Mediante experimentos in vitro se ha demostrado que la ATP sintasa actúa de forma independiente respecto a la cadena de transporte de electrones, la adición de un ácido débil (por ejemplo ácido acético) a una suspensión de mitocondrias aisladas es suficiente para inducir la biosíntesis de ATP in vitro.​

Estructura y funciones de las unidades

La ATP sintasa tiene un diámetro de 10 nm, y es el complejo más pequeño identificado hasta ahora. Trabaja con un grado de efectividad cerca al 100%. Esta enzima está formada por dos principales complejos. Una anclada a la membrana mitocondrial interna o al tilacoide llamada F₀ (CF₀ en caso de los tilacoides) y otra que sobresale por la cara interna de la estructura llamada F₀ (CF₀ en caso de los tilacoides). El componente F₀, es el motor impulsado por protones. Es conocida como la fracción sensible a la oligomicina está formada por las subunidades a, b₂ y c_10-14. Las subunidades c forman el “anillo c”, que rota en sentido horario en respuesta al flujo de protones por el complejo. Las dos proteínas b inmovilizan el segundo complejo F₁, que está orientada hacia la matriz mitocondrial. Por interacciones electrostáticas, se asocia a F₁ a F_o. F₁ está formada por las subunidades α₃, β₃, γ, δ y ε. La parte principal del complejo F₁ está formado por tres diemeres αβ, esta unidad tiene forma de hexamero. La actividad catalitítica de este hexamero está localizada en las subunidades β. Las subunidades γ y ε están unidas al anillo c, y giran con él. Cada rotación de 120º de la subunidad γ induce la aparición de cambios de conformación en los centros catalíticos de las unidads β del los dímeres αβ, provocando la alteración de los centros de fijación de los nuceótidos situado en β. El hexamero α₃ y β₃ finalmente libera el ATP. La subunidad F_o consiste de once subunidades diferentes a₁ y c₁₀, estas subunidades forman un canal de protones central y finalmente la subunidad b₂OSCP1 (Oligomycin Sensitiviy Conferring Protein) enlazan las unidades F₁ y F_o.​

Hipótesis quimiosmótica

La Hipótesis quimiosmótica también conocida como la hipótesis quimiosmótica de Mitchell, explica la manera en que la energía libre que se genera por la actividad de cadena de transporte de electrones se emplea para producir ATP a partir de la reacción ADP + Pi. Las coenzimas reducidas procedentes del Ciclo de Krebs (NADH + H⁺ y FADH₂) atraviesan una serie de complejos enzimáticos (cadena de transporte de electrones) que producen en ellas sucesivas reacciones de oxidación-reducción cuyo objetivo es la utilización del flujo de electrones para bombear protones al espacio intermembrana de la mitocondria o cloroplasto, creando un gradiente electroquímico un gradiente de pH (gradiente de concentración) el y de un desequilibrio de carga (gradiente electroquímico) en la membrana mitocondrial interna. Las ATP sintase forman ATP utilizando la energía libre procedente del gradiente de protones, utilizando el hecho de que los protones tienden a volver al interior del orgánulo, e sólo se pueden hacer a través de la ATP sintasa, por el hecho de que la membrana interna es impermeable a los protones. Cuando los protones son bombeados fuera de la matriz, el espacio intermembrana se convierte en más ácido y con mayor carga positiva que en la matriz. La matriz es básica y con una carga negativa. Peter Denis Mitchell (1920-1992) utilizó el término “quimiosmótico” para describir las reacciones enzimáticas en las que intervienen, simultáneamente, una reacción química y un proceso de transporte.

Mecanismo de la síntesis de ATP

ATPsyntasens mekanisme. ATP en rojo, ADP y fosfato en rosado y la propiedad γ rodando en negro.

La síntesis de ATP se escribe algunas veces como:

ADP + P_i + nH⁺_p → ATP + H_2O + nH⁺_P

F₁ cataliza la síntesis que es fuertemente exergonica 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, provocandole movimientos de rotación. Cada rotación de 120º de la subunidad γ induce la apareción de cambios de conformación en los centros catalíticos de las unidades β del los dímeres αβ, 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 conformaciónes difieren en parte por la asociación a al subunidad γ. Los dímeres αβ 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 dímeres αβ. 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 conversación 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.​

Historia

En 1994 la publicación por el grupo de John Walker de la estuctura cristalina del componente F₁ de 371 Kda del complejo V clarificó el mecanismo mediante el paso de protones a través del complejo F_oF₁ impulsa la síntesis de ATP. Todo esto apoyo el mecanismo propuesto por Paul Boyer varios años antes, el mecanismo de catálisis rotacional, en el que la rotación de la subunidad γ produce cambios conformacionales de los dímeres αβ.

la determinación estructural del complejo F_oF₁ y el mecanismo de la síntesis de ATP condujo al reconocimiento de Walker y Boyer como receptores del Premio Nobel de Química de 1997.

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. Por lo tanto, las mitocondrias en reposo consumen oxígeno a una velocidad lenta, pero que puede incrementar enormemente en la presencia de ADP. El ADP es captado por las mitocondrias y estimula la ATP sintasa, que disminuye el gradiente de protones. Entonces aumenta la respiración, puesto que son estimuladas las bombas de protones para restablecer el gradiente. Por tanto se puede resumir diciendo que el “control respiratorio” es la dependencia de captación de oxígeno por las mitocondrias según la disponibilidad de ATP.​

Regulación

La concentración de ADP y P_i aumenta con la utilización de ATP. Cuanto más ADP esté presente para unirse a la ATP sintasa, mayor será el flujo protónico a través del poro de la ATP sintasa, desde el espacio intermembrana a la matriz. De esta forma, al aumentar la concentración del ADP, aumenta el flujo prótonico al interior y disminuye el gradiente electroquímico, y por tanto la concentración de ADP controla el ritmo de consumo de oxígeno (o el potencial de fosfato [ATP]/[ADP][P_i]). El uso de protones del espacio intermembrano para la síntesis de ATP disminuye el gradiente de protones, como resultado las bombas de protones de la cadena de transporte electrónico responden con un aumento del bombardeo de protones y del flujo electrónico para mantener el gradiente electroquímico. El resultado es un aumento del consumo de O₂ que se reduce a H₂O. Para mantener un flujo electrónico suficiente aumenta la oxidación del NADH en la cadena de transporte electrónico y se regenera el NAD⁺, este tiene que volver a rutas que producen NADH, por tanto rutas de oxidación del combustible. Así se suministra suficiente NADH y FAD(2H) a la cadena de transporte electrónico. Esto conlleva a que la síntesis de ATP está relacionada al esfuerzo físico. Por ejemplo, durante el ejercicio, se utiliza más ATP para la contracción muscular, por tanto consumimos más oxigeno, oxidamos más combustible (“quemamos” más calorías) y generamos más calor por la cadena de transporte. Si descansamos, se disminuye la utilización de ATP, significando en un descenso del ritmo de la cadena de transporte electrónico y de la actividad enzimática del ATP sintasa.

El organismo está preparado para mantener concentraciones muy altas de ATP en todo momento. En la mayoría de los tejidos, el ritmo de la ATP es casi constante a lo largo del tiempo. En los músculos esqueléticos. El ritmo de la hidrólisis de ATP varía dependiendo de la actividad física, el músculo pasando de un estado reposo a una contracción rápida. Incluso en estas circunstancias la concentración de ATP sólo disminuye aproximadamente con un 20%. La cadena de transporte electrónico tiene una capacidad muy alta y puede responder rápidamente a cualquier aumento de la utilización de ATP. Por tanto la eficacia de la ATP sintasa es equivalente para mantener las concentraciones de ATP constantes en los tejidos.​

Desacoplamiento

Desacopladores sintéticos

Fenómeno donde los protones retornan a la matriz sin pasar por la ATP sintasa, implicando la no-generación de ATP. El desacoplamiento es provocado por compuestos químicos, conocidos como desacopladores o como ionóforos protónicos. Los desacoplantes suelen ser compuestos hidrófobicos (bases o ácidos debiles), con un pKa cercano al pH 7, captan protones rapidamente 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”).

La desacoplación de la fosforilación oxidativa hace desaparecer el gradiente de protones sin intervención de la ATP sintasa. De este modo se prosigue el transporte de electrones a ritmo rápido, el sistema hace un intento inefectivo de restaurar el gradiente de protones oxidando más combustible y bombeando más protones hacia el exterior de las mitocondrias. La energía producida por el transporte de electrones se descarga en forma de calor en vez de utilizarse para la síntesis de ATP. 2,4-dinitrofenol (DNP) es una de la biomoléculas que tiene una función desacopladora, es liposoluble y puede atravesar la membrana siendo capaz de captar protones en un medio ácido. El DNP se recomendó en EE.UU como fármaco delgazante, basado en el principio de que la disminución [ATP] y el aumento de del transporte electrónico estimulaba la oxidación del combustible. Sin embargo, se produjeron varios fallecimientos como consecuencia de su uso. Aumenta radicalmente el consumo de oxígeno y los combustibles metabólicos, y casi toda la energía metabólica se pierde en forma de calor. Las células mueren tanto a causa del exeso de temperatura como de falta de ATP.​ El fármaco ácido acetilsalicílico desacopla la fosforilación oxidativaa dosis elevadas. Esto explica la fiebre que acompaña a las sobredosis tóxicas de estos fármacos.​ Otros desacopladores son algunos concervantes y los antimicrobianos (por ej. pentaclorofenol y p-cresol).

Proteínas desacopladodras (UCP)

Ocurre en la membrana mitocondrial interior de los mamíferos. Estas proteínas permiten que los protones reingresen en la matriz mitocondrial sin que se capure energía en forma de ATP.​

La primera de estas UCP (uncoupling proteins) que se descubrió fue la proteína de desacoplamiento 1 (UCP1), llamada también termogenina y que se encuentra de modo exclusivo en el tejido adiposo pardo. El tejido adiposo pardo es abundante en el recién nacido y en algunos mamíferos adultos. Ademas, al parececer su color marrón se debe a su elevado contenido en mitocondrias. La única función. La UCP1 se encarga de activar la oxidación de los ácidos grasos y la producción de calor en el tejido adiposo pardo, proporcionando calor corporal durante el estrés por frío en los animales jóvenes y algunos adultos así como durante la hibernación. Ello se consigue desacoplando el gradiente de protones y generando así calor (termogénesis) en lugar de ATP.

El genoma humano expresa otras cuatro proteínas desacoplantes: UCP2, UCP3, UCP4 y UCP5. El UCP1 es exclusiva del tejido adiposo pardo, UCP2 se expresa de modo ubicuo, UPC3 se expresa principalmente en el músculo esquelético, y el UCP4 y UCP5 se expresa en el cerebro. Con la expresión de UCP1, en se conocen bien las funciones fisiológicas de estas proteínas, sin embargo, podrían tener gran importancia para conocer mejor trastornos y enfermedades como la diabetes, la obesidad, el cáncer, las enfermedades del tiroides y el envejecimiento. No obstante el mecanismo real aún se desconoce. Asimismo, el sistema de las UCP también puede ser importante en la regulación del potencial de membrana.​

Normalmente las mitocondrias humanas sufren un bajo nivel de escape de protones através de la membrana mitocondrial intrena, y de esta forma, las mitocondrias normalmente se encuntran desacopladas. Las mitocondrias pueden desacoplarse parcialmente

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 gradiententes 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 resíntetizar 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 sitemas 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

Trastornos de la fosforilación oxidativa mitocondrial (en inglés disorder of the mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS)) causa 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 resultan de tanto en mutaciones en la DNA mitocondrial (mtDNA) como en los genes nucleares. Mutaciones en el DNA nuclear son más comúnmente involucrado en enfermedades pediátricas de deficiencia mitocondrial que las mutaciones del mtDNA. Trastornos de Mendelian OXPHOS pueden afectar a todos los complejos de la cadena respiratoria, sobre todo del complejo I y IV, mientras que los trastornos de ATP sintasa se han reportado con menos frecuencia.

La disfunción aislada de la ATP sintasa puede ser causada tanto en mutaciones de la DNA mitocondrial como por causa de defectos genéticos de origen nuclear. Se han descrito varias mutaciones en el gen ATP6 en el mtDNA que alteran la función del canal de protones y resultan en pérdida de actividad de síntesis de ATP, mientras que mantiene la actividad hidrolítica. Los trastornos transmitidos por vía materna se producen con frecuencia y suelen afectar al sistemas nervioso periférico. Los pacientes presentan unaneuropatía, ataxia y retinitis pigmentosa (NARP), síndrome de Leigh heredado por vía materna (en inglés: maternally inherited Leigh syndrome (MILS)) o necrosis estriatal bilateral.

El origen nuclear de la deficiencia de la ATP sintasa se demostró por primera vez en 1999 en un niño con grave acidosis láctica, cardiomiopatía y hepatomegalia. Hasta ahora, sólo unos pocos han sido reportados con sólo deficiencia de la ATP sintasa debido a defectos genéticos nuclear. Se caracterizan por un contenido marcadamente disminuido de una otra manera estructural y funcionamiento de la enzima normal. La causa principal parece ser un defecto en la fase inicial de la asamblea de la enzima que incluyen la formación de la parte catalítica de F₁ de la enzima.​

Las síntomas sobre cada uno de los complejos defectos no se pueden describir claramente, suele suceder que la misma persona tiene defectos en más de un complejo.

Véase también

• Fosforilación oxidativa
• Cadena de transporte de electrones
• Metabolismo

Enlaces externos

• Animación que muestra cómo trabaja la ATP sintasa
• Harvard Multimedia Production Site - Videos - Animación de ATP-sintasa