Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

ATP Sintasi


Molecola del Mese di Dicembre 2005

ATP Sintasi
L'ATP sintasi è una delle meraviglie del mondo molecolare. L'ATP sintasi è un enzima, un motore molecolare, una pompa ionica, ed un altro motore molecolare tutti legati insieme in una macchina incredibile dalle dimensioni nanometriche. Ha un ruolo indispensabile nelle nostre cellule dato che sintetizza la maggior parte dell'ATP che dà energia ai processi cellulari. Il meccanismo col quale agisce è davvero sorprendente.

Motori rotanti
La sintesi di ATP viene realizzata da due motori rotanti, ognuno alimentato da un combustibile diverso. Il primo motore, chiamato F0, si trova in alto nella figura ed è spinto da protoni (ioni idrogeno). È immerso nella membrana cellulare (mostrata schematicamente come una striscia grigia), ed è spinto dal flusso dei protoni che attraversano la membrana. Quando i protoni fluiscono attraverso il motore, fanno girare il rotore circolare (mostrato in blu e azzurro). Questo rotore è connesso al secondo motore, chiamato F1, che invece è spinto da ATP. I due motori sono connessi insieme da uno statore, mostrato sulla destra, così che quando F0 gira, anche F1 deve girare.

Da Motore a Generatore
Perché avere due motori connessi insieme? Il motivo è che un motore può costringere l'altro a girare, ed in questo modo lo trasforma da motore a generatore. Questo è quello che accade nelle nostre cellule: il motore F0 usa l'energia di un gradiente di protoni per costringere il motore F1 a generare ATP. Nelle nostre cellule, il cibo viene degradato e usato per creare un grande eccesso di ioni idrogeno nello spazio intermembrana dei mitocondri. La subunità F0 dell'ATP sintasi permette a questi ioni di rientrare nello spazio più interno del mitocondrio, facendo girare il rotore in questo processo. Quando il rotore gira, fa girare l'asse e con questa il motore F1 che così diviene un generatore, creando ATP mentre gira.

Parti Diverse
Le macchine molecolari grandi e complesse come ATP sintasi pongono problemi di difficile soluzione per gli scienziati strutturali, così la loro struttura viene spesso determinata per parti. La figura mostrata qui a lato in realtà è una composizione formata di quattro strutture diverse, alcune determinate con la cristallografia a raggi X, altre con la spettroscopia NMR. Il motore F0 è incluso nel file PDB 1c17. Il motore F1 e l'asse che connette i due motori sono nel file PDB 1e79. Lo statore si è dimostrato la parte più elusiva. I due pezzi mostrati qui sono nei file PDB 2a7u e 1l2p.



Esplorando la Struttura di F1

Il file PDB 1e79 contiene il motore F1 dell'ATP sintasi. Quando opera come generatore, usa l'energia del moto di rotazione per costruire ATP. Quando opera come motore, rompe ATP per ruotare l'asse nella direzione opposta. I due passi difficili nella sintesi di ATP sono il fissaggio di ADP e la liberazione di ATP. La formazione del legame fosfato-fosfato non è il problema più difficile. Quando l'asse ruota, costringe il motore ad assumere tre conformazioni diverse che aiutano a realizzare questi passaggi. Due stati sono mostrati qui. Quello sulla sinistra mostra una conformazione che aiuta il legame con ADP, quello sulla destra mostra una conformazione che è stata costretta ad aprirsi per rilasciare ATP. Notate come l'asse, con la sua forma particolare, favorisce il cambio di conformazione.
L'asse centrale è composto dalle catene G, H, I. Tre delle subunità, le catene D, E, F, sono le parti che generano ATP. La subunità D è mostrata in rosa nella figura a sinistra mentre lega al centro una molecola di ADP, la subunità E è mostrata in rosa nella figura a destra. Le subunità A, B, C sono simili ed hanno un ruolo strutturale, tengono ogni parte al suo posto. In queste figure sono state rimosse le due subunità più vicine all'osservatore per rendere visibile la struttura interna del complesso.


Esplorando la Struttura di F0
Il file PDB 1c17 include il motore protonico F0. In questa figura, la vista è lungo l'asse di rotazione, come se si guardasse verso il basso dalla cima della figura in prima pagina. Il rotore è composto di 12 catene proteiche identiche, colorate qui in blu e azzurro, e la pompa ionica è una singola catena colorata in rosa. La pompa ha un amminoacido di arginina (rosso) che cede uno ione idrogeno agli aspartati sul rotore. Gli amminoacidi di aspartato hanno una carica negativa, ma poichè il rotore è immerso nei lipidi della membrana interna dei mitocondri, questa carica negativa è molto sfavorevole. Quindi, il rotore gira per permettere agli aspartati di legarsi agli ioni idrogeno diventando acidi aspartici neutri. Gli ioni idrogeno quindi seguono un percorso contorto attraverso il motore F0 e fanno girare il rotore al loro passaggio. Vengono presi dallo spazio intermembrana del mitocondrio da una catena di amminoacidi della pompa, e trasferiti all'arginina. L'arginina passa gli ioni idrogeno al rotore il quale così gira. Poi l'idrogeno viene ceduto ad altri amminoacidi della pompa, e trasferito finalmente nella parte più interna del mitocondrio. Il percorso esatto degli ioni idrogeno attraverso la pompa non è però ancora del tutto chiarito.

Bibliografia

P. D. Boyer (1997) The ATP Synthase: A Splendid Molecular Machine. Annual Review of Biochemistry 66, 717-749.

G. Oster and H. Wang (1999) ATP Synthase: Two Motors, Two Fuels. Structure 7, R67- R72.

G. Oster and H. Wang (2003) Rotary Protein Motors. Trends in Cell Biology 13, 114- 121.