ATP合成酵素

ATPシンターゼは、アデノシン二リン酸（ADP）と無機リン酸（P _i）を用いて、エネルギー貯蔵分子であるアデノシン三リン酸（ATP）の生成を触媒する酵素です。ATPシンターゼは分子機械です。ATPシンターゼによって触媒される全体の反応は次のとおりです。

• ADP + Pi ₊ 2H ⁺ _out ⇌ ATP + H ₂ O + 2H ⁺ _in

ATP合成酵素は細胞膜を横断して存在し、プロトンが高濃度領域から低濃度領域へ通過できる開口部を形成し、ATP合成に必要なエネルギーを供給します。この電気化学的勾配は電子伝達系によって生成され、細胞がエネルギーをATPに蓄えて後で使用することを可能にします。 原核細胞ではATP合成酵素は細胞膜を横断して存在し、真核細胞では ミトコンドリア内膜を横断して存在します。光合成を行う生物は、チラコイド膜を横断してATP合成酵素も持っています。チラコイド膜は植物では葉緑体内に、シアノバクテリアでは細胞質内に位置しています。ATP合成酵素は、研究対象となったすべての生物に存在します。

真核生物のATP合成酵素はF-ATPase （細胞環境では通常ATPaseではなくATP合成酵素として機能する）であり、ATPaseとは「逆」に作動する（ATPaseはATPをADPと遊離リン酸イオンに分解する反応を触媒する）。この記事では主にこのタイプについて扱う。F-ATPaseは、ATP生成を可能にする回転モーター機構を持つ2つの主要なサブユニットF _OとF _{1から構成される。} ^{[ 1 ] [ 2 ]}

F ₁フラクションは「フラクション 1」という用語に由来し、F _O (下付き文字「o」で表記され、「ゼロ」ではない) は、ATP シンターゼの F _Oユニットを阻害できる天然由来の抗生物質の一種であるオリゴマイシンの結合フラクションであることに由来します。^{[ 3 ] [ 4 ]}これらの機能領域は、異なるタンパク質サブユニットで構成されています。表を参照してください。この酵素は、好気呼吸による ATP の合成に使用されます。

チラコイド膜とミトコンドリア内膜内に位置するATP合成酵素は、F _OとF ₁の2つの領域から構成されています。F _OはF ₁の回転を引き起こし、cリングとサブユニットa、2つのb、F6から構成されています。F ₁はα、β、γ、δサブユニットから構成されています。F ₁にはATPを加水分解できる水溶性の部分があります。一方、 F _{Oは主に疎水性領域から構成されています。F O} F _1は、膜を横切るプロトンの移動経路を作り出します。^{[ 7 ]}

F _O領域

F _Oは、8 つのサブユニットと膜貫通リングを持つ水不溶性タンパク質です。リングは、プロトン化および脱プロトン化時に構造変化を起こし、隣接するサブユニットを回転させて F _Oの回転を引き起こし、それが F ₁の構造にも影響を与え、結果として α および β サブユニットの状態が切り替わります。ATP 合成酵素の F _O領域は、ミトコンドリア膜に埋め込まれたプロトン孔です。これは、a、b、c の 3 つの主要なサブユニットで構成されています。6 つの c サブユニットがローターリングを構成し、サブユニット b は F ₁ OSCP に接続するストークを構成し、αβ 六量体の回転を防止します。サブユニット a は b を c リングに接続します。^{[ 11 ]}ヒトには、 d、e、f、g、F6、および8 (または A6L)の 6 つの追加サブユニットがあります。この酵素のこの部分はミトコンドリア内膜に位置し、プロトンの輸送をF1領域におけるATP合成を引き起こす回転運動と連動させて_いる。

真核生物では、ミトコンドリアのF _{Oは膜を曲げる二量体を形成する。これらの二量体は}クリステの末端で長い列に自己配列し、おそらくクリステ形成の最初のステップである。^{[ 12 ]}_{酵母の二量体F O}領域の原子モデルは、クライオ電子顕微鏡により全体分解能3.6 Åで決定された。^{[ 13 ]}

1960年代から1970年代にかけて、UCLAの教授であったポール・ボイヤーは、ATP合成はガンマサブユニットの回転によって生じるATPシンターゼの構造変化に依存するという、結合変化、あるいはフリップフロップ機構理論を提唱した。当時ケンブリッジのMRC分子生物学研究所に所属していたジョン・E・ウォーカーの研究グループは、ATPシンターゼの_F1触媒ドメインを結晶化した。当時、既知の非対称タンパク質構造としては最大規模であったこの構造は、ボイヤーの回転触媒モデルが本質的に正しいことを示していた。この解明により、ボイヤーとウォーカーは1997年のノーベル化学賞を共同受賞した。

F ₁の結晶構造は、回転する非対称の γ サブユニットの周りにオレンジの房のように配置された、交互に並んだ α サブユニットと β サブユニット(それぞれ 3 つ) を示しました。現在の ATP 合成モデル (交互触媒モデルとして知られる) によると、電子伝達系によって供給される (H+) プロトン陽イオンによって生成される膜電位は、ATP シンターゼの F _O領域を介して膜間腔から膜を通して (H+) プロトン陽イオンを駆動します。プロトンが膜を通過すると、 F _{O (} c サブユニットのリング)の一部が回転します。cリングは非対称の中央ストーク (主に γ サブユニットから構成される) にしっかりと結合しており、 F _{1の α 3} β ₃内で回転し、3 つの触媒ヌクレオチド結合部位が一連の構造変化を起こして ATP 合成につながります。主要な F _{1サブユニットは、α 3} β _{3を F O}の非回転部分に接続する周辺ストークによって、中央ストーク ローターと連動して回転することが妨げられています。完全な ATP シンターゼの構造は、現在、複合体の電子クライオ顕微鏡(クライオ EM) 研究から低解像度で知られています。ATP シンターゼのクライオ EM モデルは、周辺ストークが F ₁を F _Oに接続しながら複合体を包み込む柔軟な構造であることを示唆しています。適切な条件下では、酵素反応は逆方向にも実行でき、ATP 加水分解が膜を横切るプロトンポンプを駆動します。

結合変化のメカニズムには、βサブユニットの活性部位が3つの状態の間を循環することが含まれます。^{[ 14 ]}「緩い」状態では、ADPとリン酸が活性部位に入ります。隣の図では、これはピンクで示されています。次に、酵素は形状変化を起こし、これらの分子を一緒に押し付け、結果として生じる「密着した」状態（赤色で示されています）の活性部位が、新しく生成されたATP分子を非常に高い親和性で結合します。最後に、活性部位は開いた状態（オレンジ色）に戻り、ATPを放出し、さらにADPとリン酸を結合して、次のATP生成サイクルに備えます。^{[ 15 ]}

_{他の酵素と同様に、 F1FO ATP}シンターゼの活性は可逆的です。十分な量のATPが存在すると、膜を横断するプロトン勾配が形成されます。これは、電子伝達系を持たない発酵細菌によって利用されます。発酵細菌はATPを加水分解してプロトン勾配を作り出し、それを利用して鞭毛を駆動したり、栄養素を細胞内に輸送したりします。

生理的条件下で呼吸する細菌では、一般的にATP合成酵素は逆方向に働き、電子伝達系によって生成されるプロトン駆動力をエネルギー源として利用しながらATPを生成します。このようにしてエネルギーを生成する一連のプロセスは、酸化的リン酸化と呼ばれます。同じプロセスはミトコンドリアでも起こり、ATP合成酵素はミトコンドリア内膜に位置し、F1_部分はミトコンドリアマトリックスに突き出ています。ATP合成酵素はプロトンカチオンをマトリックスに送り込むことで、ADPをATPに変換します。

ATP合成酵素の進化はモジュール式であったと考えられており、機能的に独立した2つのサブユニットが結合して新しい機能を獲得した。^{[ 16 ] [ 17 ]}この結合は進化の歴史の初期に起こったようで、基本的に同じ構造と活性を持つATP合成酵素がすべての生物界に存在している。^{[ 16 ]} F-ATP合成酵素は、V-ATPaseと機能的および機構的に高い類似性を示す。^{[ 18 ]}しかし、F-ATP合成酵素はプロトン勾配を利用してATPを生成するのに対し、V-ATPaseはATPを犠牲にしてプロトン勾配を生成し、pH値が1程度まで低下する。^{[ 19 ]}

F1領域は六量体DNAヘリカーゼ（特にRho因子）と顕著な類似性を示し、酵素領域全体はH ⁺_{とある程度の類似性を示す。}-動力源となるT3SSまたは鞭毛モーター複合体。^{[ 18 ] [ 20 ] [ 21 ]} _F1領域のα3β3六量体は、_六量体DNAヘリカーゼと顕著な構造的類似性を示します。どちらも、中心に孔を持つ3回回転対称のリングを形成します。どちらも、孔内の高分子の相対回転に依存する役割を持ちます。DNAヘリカーゼは、DNAのらせん形状を使用してDNA分子に沿って移動し、超らせんを検出しますが、α3β3_六量体は、γサブユニットの回転による構造変化を使用して酵素反応を駆動します。^{[ 22 ]}

H ⁺​F _O粒子のモーターはH ^{+と非常に機能的に類似している}鞭毛を駆動するモーター。^{[ 18 ]}どちらも、 H ⁺を利用して近くの静止タンパク質に対して回転する多数の小さなαヘリックスタンパク質のリングを特徴としている。_{エネルギー源としての電位勾配。しかし、鞭毛モーターの全体構造は F O}粒子の構造よりもはるかに複雑であり、約 30 個の回転タンパク質からなるリングは F _O複合体の 10、11、または 14 個のらせん状タンパク質よりもはるかに大きいため、この関連性は希薄である。しかし、より最近の構造データは、リングとストークが構造的に F ₁粒子に類似していることを示している。^{[ 21 ]}

ATP合成酵素の起源に関するモジュール進化理論は、独立した機能を持つ2つのサブユニット、ATPase活性を持つDNAヘリカーゼとH ⁺モーターは結合することができ、モーターの回転はヘリカーゼのATPase活性を逆方向に駆動した。^{[ 16 ] [ 22 ]}この複合体はその後、より高い効率へと進化し、最終的に今日の複雑なATP合成酵素へと発展した。あるいは、DNAヘリカーゼ/ H ⁺運動複合体にはH ^{+が含まれていた可能性がある}ヘリカーゼのATPase活性によるポンプ活性がH ^{+を駆動する}逆方向のモーター。^{[ 16 ]}これは逆反応を実行し、ATP合成酵素として機能するように進化した可能性がある。^{[ 17 ] [ 23 ] [ 24 ]}

ATPシンターゼの天然および合成のさまざまな阻害剤が発見されています。^{[ 25 ]}これらはATPシンターゼの構造とメカニズムを調べるために使用されてきました。治療に使用できるものもあります。ATPシンターゼ阻害剤には、ペプチド阻害剤、ポリフェノール植物化学物質、ポリケチド、有機スズ化合物、ポリエンα-ピロン誘導体、カチオン阻害剤、基質アナログ、アミノ酸修飾剤、その他のさまざまな化学物質など、いくつかのクラスがあります。^{[ 25 ]}最も一般的に使用されているATPシンターゼ阻害剤のいくつかは、オリゴマイシンとDCCDです。

• ニック・レーン著：生命の根源的な問い：エネルギー、進化、そして複雑な生命の起源、WWノートン、2015年7月20日、ISBN 978-0393088816（リンク先はATP合成酵素のモデルを示す図10）

• ボリス・A・フェニウク：「ATP合成酵素 ― 素晴らしい分子機械」
• イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のアントニー・クロフツによる、図解が豊富なATP合成酵素の講義（2008年12月2日にWayback Machineにアーカイブ済み）。
• OPMデータベースに登録されているプロトンおよびナトリウム輸送F型、V型、A型ATPアーゼ
• 1997年のノーベル化学賞は、ATP合成の酵素的メカニズムの解明に対してポール・D・ボイヤーとジョン・E・ウォーカーに、そしてイオン輸送酵素Na ^{+の発見に対してイェンス・C・スコウに授与された。}、K ⁺-ATPase。
• ハーバード大学マルチメディア制作サイト — 動画– ATP合成アニメーション
• David Goodsell: 「ATP合成酵素 - 今月の分子」Wayback Machineに2015年9月5日にアーカイブされました