ATPアーゼ

ATPase（EC 3.6.1.3、アデノシン5'-トリホスファターゼ、アデニルピロホスファターゼ、ATPモノホスファターゼ、トリホスファターゼ、SV40 T抗原、ATP加水分解酵素、複合体V（ミトコンドリア電子伝達）、(Ca 2+ + ^Mg 2+ ⁾ -ATPase、HCO ₃ ⁻ -ATPase、アデノシントリホスファターゼ）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酵素の一種です^{[1] [2] [3] [4] [5] [6]}、またはその逆の反応です。この脱リン酸化反応によりエネルギーが放出され、酵素は（ほとんどの場合）このエネルギーを利用して、そうでなければ起こらない他の化学反応を起こします。このプロセスは、既知のあらゆる生命体で広く利用されています。

そのような酵素の中には膜貫通タンパク質（生体膜内に固定されている）があり、通常は濃度勾配に逆らって膜を越えて溶質を移動させます。これらは膜貫通型 ATPase と呼ばれます。

膜貫通型ATPaseは、細胞 代謝に必要な代謝産物を輸入し、細胞プロセスを妨げる毒素、老廃物、溶質を輸出します。重要な例としては、細胞膜電位を維持するナトリウム-カリウムポンプ（Na ⁺ /K ⁺ ATPase）があります。別の例としては、胃の内容物を酸性化する水素カリウムATPase（H ⁺ /K ⁺ ATPaseまたは胃プロトンポンプ）があります。ATPaseは動物で遺伝的に保存されているため、 ATPaseに作用する植物によって生成される毒性ステロイドであるカルデノリドは、用量依存的に作用する一般的な効果的な動物毒素になります。^[7]

膜貫通ATPaseには、交換輸送体のほかに、共輸送体やポンプ（ただし、一部の交換輸送体はポンプでもある）が含まれる。これらのうち、Na ⁺ /K ⁺ ATPaseのように電荷の正味の流れを引き起こすものもあれば、引き起こさないものもある。これらはそれぞれ電気発生性輸送体と電気的中性輸送体と呼ばれる。^[8]

ウォーカーモチーフは、ヌクレオチド結合と加水分解の決定的なタンパク質配列モチーフです。この幅広い機能以外にも、ウォーカーモチーフはチロシンキナーゼを除いてほぼすべての天然ATPaseに見られます。^[9]ウォーカーモチーフは一般的に、ネスト（タンパク質構造モチーフ）として自己組織化されたベータシート-ターン-アルファヘリックスを形成します。これは、現代のATPaseが自己組織化する必要があった小さなNTP結合ペプチドから進化したためだと考えられています。^[10]

タンパク質設計により、天然のATPase配列や構造を使用せずにATPase機能を（弱く）再現することができました。重要なことは、すべての天然ATPaseはベータシート構造を持っているのに対し、設計された「代替ATPase」にはベータシート構造がないため、この生命に不可欠な機能は自然界には見られない配列や構造で可能であることを示しています。^[11]

ATPase（F ₀ F ₁ -ATP合成酵素とも呼ばれる）は、膜を通してイオンを移動させることでATPを触媒し、ATP合成を行う電荷移動複合体である。^[12]

ATP 加水分解と輸送のカップリングは、加水分解された ATP 分子ごとに一定数の溶質分子が輸送される化学反応です。Na ⁺ /K ⁺交換の場合、加水分解された ATP 分子ごとに 3 つの Na ⁺イオンが細胞外に、2 つの K+ イオンが細胞内に輸送されます。

膜貫通型 ATPase は、機械的な作業を行うことで ATP の化学的位置エネルギーを利用します。つまり、膜の低濃度側から高濃度側へ、熱力学的に好ましい移動方向とは反対方向に溶質を輸送します。このプロセスは能動輸送と呼ばれます。

たとえば、小胞の H ⁺ -ATPase を阻害すると、小胞内の pH が上昇し、細胞質の pH が低下します。

すべてのATPaseは共通の基本構造を持っています。各回転ATPaseは、F ₀ /A ₀ /V ₀とF ₁ /A ₁ /V ₁の2つの主要成分で構成されています。これらは1～3本の茎で接続されており、安定性を維持し、回転を制御し、反対方向への回転を防止します。1本の茎はトルクを伝達するために使用されます。^[13]末梢茎の数はATPaseの種類によって異なります。F-ATPaseには1本、A-ATPaseには2本、V-ATPaseには3本あります。F ₁触媒ドメインは膜のN側に位置し、ATPの合成と分解に関与し、酸化的リン酸化に関与しています。F ₀膜貫通ドメインは、膜を横切るイオンの移動に関与しています。^[12]

細菌のF ₀ F ₁ -ATPase は、可溶性の F ₁ドメインと膜貫通 F ₀ドメインで構成され、膜貫通 F 0 ドメインは、さまざまな化学量論を持ついくつかのサブユニットで構成されています。 γ と ε の 2 つのサブユニットが中央の茎を形成し、 F 0 にリンクされています_{。 F 0に}は、リング状の c サブユニットオリゴマー (c リング) が含まれています。 α サブユニットはサブユニット b ₂に近く、膜貫通サブユニットを α3β3 および δ サブユニットに接続する茎を構成します。 F-ATP 合成酵素は、7 ～ 9 個の追加サブユニットを含むミトコンドリア F ₀ F ₁ -ATP 合成酵素を除いて、外観と機能が同一です。^[12]

電気化学ポテンシャルは、ATP合成のためにCリングを時計回りに回転させる原因となる。これにより、中央の茎と触媒ドメインの形状が変化する。Cリングを回転させると3つのATP分子が生成され、H ^+が膜のP側からN側に移動する。Cリングの反時計回りの回転はATP加水分解によって駆動され、イオンがN側からP側に移動し、電気化学ポテンシャルの構築に役立つ。^[12]

ミトコンドリアと葉緑体のATP合成酵素は、膜貫通プロトン勾配のエネルギーをエネルギー源として利用し、アデノシン二リン酸 (ADP) 分子に無機リン酸基を付加してアデノシン三リン酸 (ATP) 分子を形成する同化酵素です。

この酵素は、プロトンが濃度勾配に沿って移動し、酵素に回転運動を与えるときに機能します。この独特な回転運動により、ADP と P が結合して ATP が生成されます。

ATP 合成酵素は逆方向にも機能し、ATP 加水分解によって放出されるエネルギーを使用して、電気化学的勾配に逆らってプロトンを送り出すこともできます。

ATPase にはさまざまな種類があり、機能 (ATP 合成および/または加水分解)、構造 (F-、V-、および A-ATPase には回転モーターが含まれています)、および輸送するイオンの種類が異なります。

• 回転ATPase ^{[14] [15]}
  • ミトコンドリア、葉緑体、細菌の 細胞膜に存在するF-ATPase（F1FO-ATPase）は、酸化的リン酸化（ミトコンドリア）または光合成（葉緑体）によって生成されるプロトン勾配を利用してATPを生産する主な酵素です。^[16]
    • デルタ/OSCPサブユニットを欠くF-ATPaseは、代わりにナトリウムイオンを移動させます。これらは、A-ATPaseがV-ATPaseから離れたのと同じように、通常のF-ATPaseからさらに離れた明確なグループを形成するように見えるため、N -ATPaseと呼ばれることが提案されています。 ^[17]
  • V-ATPase（V1VO-ATPase）は主に真核生物の液胞に存在し、ATP加水分解を触媒して溶質を輸送し、リソソームのプロトンポンプのような細胞小器官の pH を下げます。
  • A-ATPase (A1AO-ATPase)は、古細菌および一部の極限環境細菌に存在します。これらは V-ATPase のように配置されていますが、主に ATP 合成酵素として F-ATPase のように機能します。
  • 必ずしも回転性ではない相同体が多数存在します。ATP合成酵素 § 進化を参照してください。
• P-ATPase (E1E2-ATPase) は、細菌、真菌、真核生物の細胞膜や細胞小器官に存在し、膜を越えてさまざまなイオンを輸送する働きをします。
• E-ATPaseは細胞表面 酵素であり、細胞外ATPを含むさまざまなNTPを加水分解します。例としては、エクトATPase、CD39、エクトATP/Daseなどがあり、これらはすべて「GDA1 CD39」スーパーファミリーのメンバーです。^[18]
• AAA タンパク質は、リング状のP ループ NTPaseファミリーです。

P-ATPase (E1-E2 ATPase とも呼ばれる) は、細菌のほか、真核生物の細胞膜や細胞小器官にも見られます。その名前は、活性化時にアスパラギン酸残基に無機リン酸が短時間付着することから付けられました。P-ATPase の機能は、ATP 加水分解をエネルギーとして利用し、イオンやリン脂質などのさまざまな化合物を膜を通して輸送することです。P-ATPase にはさまざまなクラスがあり、特定の種類のイオンを輸送します。P-ATPase は 1 つまたは 2 つのポリペプチドで構成され、通常は E1 と E2 の 2 つの主要な構造をとります。

• Na ⁺ /K ⁺輸送: ATP1A1、ATP1A2、ATP1A3、ATP1A4、ATP1B1、ATP1B2、ATP1B3、ATP1B4
• Ca ⁺⁺輸送: ATP2A1、ATP2A2、ATP2A3、ATP2B1、ATP2B2、ATP2B3、ATP2B4、ATP2C1、ATP2C2
• Mg ⁺⁺輸送：ATP3
• H ⁺ /K ⁺交換: ATP4A
• H ⁺輸送、ミトコンドリア: ATP5A1、ATP5B、ATP5C1、ATP5C2 、ATP5D、ATP5E、ATP5F1、ATP5G1 、 ATP5G2、ATP5G3、ATP5H、ATP5I、ATP5J、ATP5J2、ATP5L、ATP5L2、ATP5O、ATP5S、MT-ATP6、MT-ATP8
• H ⁺輸送、リソソーム: ATP6AP1、ATP6AP2、ATP6V1A、ATP6V1B1、ATP6V1B2、ATP6V1C1、ATP6V1C2、ATP6V1D、ATP6V1E1、ATP6V1E2、ATP6V1F、ATP6V1G1、ATP6V1G2、ATP6V1G3、ATP6V1H、ATP6V0A1、ATP6V0A2、ATP6V0A4、ATP6V0B、ATP6V0C、ATP6V0D1、ATP6V0D2、ATP6V0E
• Cu ⁺⁺輸送: ATP7A、ATP7B
• クラス I、タイプ 8: ATP8A1、ATP8B1、ATP8B2、ATP8B3、ATP8B4
• クラス II、タイプ 9: ATP9A、ATP9B
• クラス V、タイプ 10: ATP10A、ATP10B、ATP10D
• クラス VI、タイプ 11: ATP11A、ATP11B、ATP11C
• H ⁺ /K ⁺輸送、非胃: ATP12A
• タイプ13: ATP13A1、ATP13A2、ATP13A3、ATP13A4、ATP13A5

• ATP合成酵素
• ATP合成酵素α/βサブユニット
• AAAタンパク質
• P-ATPアーゼ

ウィキメディア・コモンズには、アデノシン三ホスファターゼに関連するメディアがあります。

• 「ATP合成酵素 - 素晴らしい分子機械」
• 米国国立医学図書館の医学主題標目表(MeSH)における ATPase
• EM データバンク (EMDB) の ATPase の電子顕微鏡構造