ATPase

ATPase transmembran mengimport metabolit yang diperlukan buat metabolisme sel dan mengeksport toksin, bahan buangan dan bahan terlarut yang boleh menghalang proses sel. Contoh penting ialah pam natrium-kalium (Na⁺/K⁺ ATPase) yang mengekalkan potensi membran sel. Contoh lain ialah hidrogen kalium ATPase (H⁺/K⁺ ATPase atau pam proton gastrik) yang mengasidkan kandungan perut. ATPase dipelihara secara genetik dalam haiwan; oleh itu, kardenolida yang merupakan steroid toksik yang dihasilkan oleh tumbuhan yang bertindak pada ATPase, menjadikan toksin haiwan umum dan berkesan yang bertindak bergantung kepada dos.^[7]

Selain penukar, kategori lain ATPase transmembran termasuk pengangkut bersama dan pam (namun, beberapa penukar juga merupakan pam). Sebahagian enzim-enzim ini seperti Na⁺/K⁺ ATPase menyebabkan aliran bersih cas, tetapi yang lain pula tidak. Ini dipanggil pengangkut elektrogenik dan elektroneutral, masing-masing.^[8]

Motif Walker ialah motif jujukan protein dalam pengikatan nukleotida dan hidrolisis. Di luar fungsi luas ini, motif Walker boleh didapati dalam hampir semua ATPase semula jadi, dengan pengecualian ketara tirosina kinase.^[9] Motif Walker biasanya membentuk motif helaian beta-pusing-heliks alfa yang disusun sendiri sebagai "sarang". Ini dianggap berlaku kerana ATPase moden berkembang daripada peptida pengikat NTP kecil yang perlu diatur sendiri.^[10]

Reka bentuk protein telah dapat meniru fungsi ATPase (secara lemah) tanpa menggunakan urutan atau struktur ATPase semula jadi. Satu hal penting ialah walaupun semua ATPase semula jadi mempunyai beberapa struktur helaian beta, "ATPase alternatif" yang direka bentuk tidak mempunyai struktur helaian beta, menunjukkan bahawa fungsi penting kehidupan ini boleh dilakukan dengan jujukan dan struktur yang tidak terdapat dalam alam semula jadi.^[11]

ATPase (juga dipanggil F₀F₁-ATP sintase) ialah kompleks pemindahan cas yang memangkinkan ATP untuk melakukan sintesis ATP dengan menggerakkan ion melalui membran.^[12]

Gandingan hidrolisis dan pengangkutan ATP ialah tindak balas kimia di mana bilangan molekul terlarut yang tetap diangkut untuk setiap molekul ATP yang dihidrolisiskan; bagi penukar Na⁺/K⁺, ini melibatkan tiga ion Na⁺ keluar dari sel, dan dua ion K+ ke dalam sel bagi setiap molekul ATP yang dihidrolisiskan.

ATPase transmembran menggunakan tenaga potensi kimia ATP dengan melakukan kerja mekanikal: ia mengangkut bahan larut dalam arah yang bertentangan dengan arah pergerakan pilihan termodinamik mereka—iaitu, dari sisi membran dengan kepekatan rendah ke sisi dengan kepekatan tinggi. Proses ini dirujuk sebagai pengangkutan aktif.

Sebagai contoh, penghalangan H⁺-ATPase vesikel akan mengakibatkan peningkatan pH dalam vesikel dan penurunan pH sitoplasma.

Semua ATPase berkongsi struktur asas yang sama. Setiap ATPase berputar terdiri daripada dua komponen utama: F₀/A₀/V₀ dan F₁/A₁/V₁. Ia disambungkan oleh 1-3 tangkai untuk mengekalkan kestabilan, mengawal putaran, dan menghalangnya daripada berputar ke arah lain. Satu tangkai digunakan untuk menghantar tork.^[13] Bilangan tangkai periferi bergantung pada jenis ATPase: F-ATPase mempunyai satu, A-ATPase mempunyai dua dan V-ATPase mempunyai tiga. Domain pemangkin F₁ terletak di bahagian N membran dan terlibat dalam sintesis dan degradasi ATP dan terlibat dalam fosforilasi oksidatif. Domain transmembran F₀ terlibat dalam pergerakan ion merentasi membran.^[12]

F₀F₁-ATPase bakteria terdiri daripada domain F₁ larut dan domain transmembran F₀ yang terdiri daripada beberapa subunit dengan stoikiometri yang berbeza-beza. Terdapat dua subunit, γ, dan ε, yang membentuk tangkai tengah dan ia dikaitkan dengan F₀. F₀ mengandungi oligomer subunit c dalam bentuk cincin (cincin c). Subunit α adalah berhampiran dengan subunit b₂ dan membentuk tangkai yang menghubungkan subunit transmembran ke subunit α3β3 dan δ. Sintesis F-ATP adalah sama dalam rupa dan fungsi kecuali F₀F₁-ATP sintase mitokondrion yang mengandungi 7-9 subunit tambahan.^[12]

Potensi elektrokimia inilah yang menyebabkan cincin c berputar mengikut arah jam untuk sintesis ATP. Ini menyebabkan tangkai tengah dan domain pemangkin berubah bentuk. Pemusingan cincin c menyebabkan tiga molekul ATP terhasil, dan menyebabkan H⁺ bergerak dari bahagian P membran ke bahagian N membran. Putaran lawan jam cincin c didorong oleh hidrolisis ATP dan pergerakan ion dari sisi N ke sisi P yang membantu mewujudkan potensi elektrokimia.^[12]

ATP sintase mitokondrion dan kloroplas ialah enzim anabolik yang memanfaatkan tenaga kecerunan proton transmembran sebagai sumber tenaga untuk menambah kumpulan fosfat tak organik kepada molekul adenosina difosfat (ADP) untuk membentuk molekul adenosin trifosfat (ATP).

Enzim ini berfungsi apabila proton bergerak ke bawah kecerunan kepekatan, memberikan enzim gerakan berputar. Gerakan berputar unik ini mengikat ADP dan P bersama-sama untuk menghasilkan ATP.

Terdapat pelbagai jenis ATPase, yang boleh berbeza dalam fungsi (sintesis ATP dan/atau hidrolisis), struktur (F-, V- dan A-ATPases mengandungi motor berputar) dan dalam jenis ion yang diangkut.

• ATPase berputar^[14][15]
  • F-ATPase (F1FO-ATPase) dalam mitokondrion, kloroplas dan membran plasma bakteria ialah pengeluar utama ATP yang menggunakan kecerunan proton yang dihasilkan oleh fosforilasi oksidatif (mitokondria) atau fotosintesis (kloroplas).^[16]
    • F-ATPase yang tidak mempunyai subunit delta/OSCP memindahkan ion natrium sebaliknya. Ada cadangan untuk menamakannya sebagai N-ATPase kerana ia nampaknya membentuk kumpulan berbeza yang jauh selain daripada F-ATPase biasa berbanding A-ATPase daripada V-ATPase.^[17]
  • V-ATPase (V1VO-ATPase) lazimnya ditemui dalam vakuol eukariot, dan memangkinkan hidrolisis ATP untuk mengangkut zat terlarut dan menurunkan pH dalam organel seperti pam proton lisosom.
  • A-ATPase (A1AO-ATPase) ditemui dalam arkea dan beberapa bakteria ekstremofil. Ia terbina seperti V-ATPase, tetapi berfungsi seperti F-ATPase, terutamanya sebagai ATP sintase.
  • Banyak homolog yang tidak semestinya berputar wujud.
• P-ATPase (E1E2-ATPase) ditemui dalam bakteria, kulat dan dalam membran dan organel plasma eukariot, dan berfungsi untuk mengangkut pelbagai ion berbeza merentasi membran.
• E-ATPase ialah enzim permukaan sel yang menghidrolisis pelbagai NTP, termasuk ATP ekstrasel. Contohnya termasuk ekto-ATPase, CD39 dan ekto-ATP/Dase, yang kesemuanya merupakan ahli superkeluarga "GDA1 CD39".^[18]
• Protein AAA ialah keluarga NTPase gelung P berbentuk cincin.

P-ATPase (kadang-kadang dikenali sebagai E1-E2 ATPase) ditemui dalam bakteria serta membran dan organel plasma eukariot. Namanya sebegitu adalah kerana pemasangan singkat fosfat tak organik di sisa aspartat ketika pengaktifan. Fungsi P-ATPase adalah untuk mengangkut pelbagai sebatian berbeza seperti ion dan fosfolipid merentasi membran menggunakan hidrolisis ATP untuk tenaga. Terdapat banyak kelas P-ATPase yang berbeza yang mengangkut jenis-jenis ion tertentu. P-ATPase mungkin terdiri daripada satu atau dua polipeptida, dan biasanya boleh mengambil dua konformasi utama, E1 dan E2.

• Pengangkut Na⁺/K⁺: ATP1A1, ATP1A2, ATP1A3, ATP1A4, ATP1B1, ATP1B2, ATP1B3, ATP1B4
• Pengangkut Ca⁺⁺: ATP2A1, ATP2A2, ATP2A3, ATP2B1, ATP2B2, ATP2B3, ATP2B4, ATP2C1, ATP2C2
• Pengangkut Mg⁺⁺: ATP3
• Penukar H⁺/K⁺: ATP4A
• Pengangkut H⁺, mitokondrion : ATP5A1, ATP5B, ATP5C1, ATP5C2, ATP5D, ATP5E, ATP5F1, ATP5G1, ATP5G2, ATP5G3, ATP5H, ATP5I, ATP5J2, ATP5J2, ATP5J2, ATP5J2 , ATP5J2 S , MT-ATP6, MT-ATP8
• Pengangkut H⁺, lisosom : ATP6AP1, ATP6AP2, ATP6V1A, ATP6V1B1, ATP6V1B2, ATP6V1C1, ATP6V1C2, ATP6V1D, ATP6V1E1, ATP6V1E2, ATP6V1E2, ATP6V1E2, ATP6V1E2, ATP6V1E2, ATP6V1E2, ATP6V1E2, ATP6V1E2 V1G3, ATP6V1H, ATP6V0A1, ATP6V0A2, ATP6V0A4, ATP6V0B, ATP6V0C, ATP6V0D1, ATP6V0D2, ATP6V0E
• Pengangkut Cu⁺⁺: ATP7A, ATP7B
• Kelas I, jenis 8: ATP8A1, ATP8B1, ATP8B2, ATP8B3, ATP8B4
• Kelas II, jenis 9: ATP9A, ATP9B
• Kelas V, jenis 10: ATP10A, ATP10B, ATP10D
• Kelas VI, jenis 11: ATP11A, ATP11B, ATP11C
• Pengangkut H⁺/K⁺, bukan gastrik: ATP12A
• Jenis 13: ATP13A1, ATP13A2, ATP13A3, ATP13A4, ATP13A5

• "ATP synthase - mesin molekul yang hebat"
• ATPase dalam Tajuk Subjek Perubatan (MeSH) di Perpustakaan Perubatan Negara AS
• Struktur mikroskop elektron ATPase daripada Bank Data EM(EMDB)