Biología de la membrana molecular

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ISSN: 0968-7688 (Imprimir) 1464-5203 (Online) Página web de la revista: https://www.tandfonline.com/loi/imbc20

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Comprender la síntesis de ATP: estructura y mecanismo de la F1-ATPasa (Revisión)

J. Alfonso Leyva, Mario A. Bianchet y L. Mario Amzel

Para citar este artículo: J. Alfonso Leyva, Mario A. Bianchet & L. Mario Amzel (2003) Entendimiento

Síntesis de ATP: estructura y mecanismo de la F1-ATPasa (Revisión), membrana molecular

Biología, 20:1, 27-33, DOI: 10.1080/0968768031000066532

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Publicado en línea: 09 de julio de 2009.

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[pic 17]Biología de la membrana molecular, 2003, 20, 27 /33

Comprender la síntesis de ATP: estructura y mecanismo de la F1-ATPasa (Revisión)

J. Alfonso Leyva, Mario A. Bianchet y L. Mario Amzel*

Departamento de Biofísica y Química Biofísica, Escuela de Medicina Johns Hopkins, Baltimore, MD 21205, Estados Unidos

Resumen

Para acoplar la energía presente en el gradiente electroquímico de protones, establecido a través de la membrana mitocondrial por la cadena respiratoria, a la formación de ATP a partir de ADP y Pi, ATP-sintasa pasa por una secuencia de cambios conformacionales coordinados de sus principales subunidades (a, b). Estos cambios son inducidos por la rotación de la subunidad g impulsada por la translocación de protones a través de la subunidad c de la porción de membrana de la enzima. Durante este proceso, la porción F1 de la ATP-sintasa adopta al menos dos conformaciones principales dependiendo de la ocupación de las subunidades b: una con dos nucleótidos, la otra con tres. En la estructura de dos nucleótidos, la subunidad b vacía adopta una conformación abierta que es muy diferente de las otras conformaciones de las subunidades b: apretada, suelta y cerrada. Las estructuras tridimensionales de la F1-ATPasa en cada una de estas dos conformaciones principales proporcionan un marco para entender el mecanismo de acoplamiento de energía por la enzima. Las energías asociadas a dos modelos diferentes de las etapas de reacción, analizadas mediante cálculos de dinámica molecular, muestran que los intermediarios de tres nucleótidos no se presentan en configuraciones con una subunidad b abierta; en su lugar, se estabilizan completando un movimiento similar a la mandíbula que cierra la subunidad b alrededor del nucleótido. En consecuencia, el cambio conformacional mayor impulsado por la energía tiene lugar con las subunidades b en la conformación apretada, suelta y cerrada.

Palabras clave: síntesis de ATP; catálisis rotacional; F1-ATPasa; movimiento mandibular.

Introducción

La ATP-sintasa utiliza el gradiente de protones generado por la cadena respiratoria para sintetizar el ATP en las concentraciones necesarias para impulsar muchos de los procesos que requieren energía celular. En los últimos años hemos visto grandes avances en nuestra comprensión del mecanismo de este proceso biológico fundamental. Muchos experimentos aportaron información importante, especialmente la determinación de las estructuras tridimensionales de varias formas de la enzima (Abrahams et al. 1994, 1996, Shirakihara et al. 1997, Orriss et al. 1998, Bianchet et al. 1998, Braig et al. 2000, Gibbons et al. 2000, Groth and Pohl 2001, Groth 2002) y visualización directa de grandes cambios conformacionales que tienen lugar durante el ciclo catalítico (Noji et al. 1997, Kato-Yamada et al. 1998, Hisabori et al. 1999, Hara et al. 2000, Hirono-Hara et al. 2001, Yasuda et al. 2001).

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*A quién debe dirigirse la correspondencia.

e-mail: mario@neruda.med.jhmi.edu

ATP-sintasa es una enzima multisubunidad compuesta de dos partes principales: la porción F0, un complejo de membrana integral implicado en la translocación de protones, y la porción F1, un gran complejo extramembrana que, cuando se separa de la membrana, se comporta como una ATPasa soluble. El proceso de síntesis de ATP implica cambios conformacionales importantes en ambas porciones de la enzima. Este artículo trata de los cambios que ocurren en el F1-ATPase.

F1-ATPasa se compone de cinco subunidades diferentes con estequiometría a3b3gdo. Los pesos moleculares de las subunidades, aunque difieren entre enzimas de diferentes especies, son en promedio (kD): a, 55; b, 50; g, 35; d, 25; y o,

1. Tanto las subunidades a como b se unen a los nucleótidos, pero solo los sitios de unión de los nucleótidos de las subunidades b participan en la catálisis.

Un gran número de experimentos bioquímicos han revelado, entre muchas propiedades de la ATP-sintasa, tres características

que tienen relevancia mecánica directa. Primero, los tres sitios catalíticos en las tres subunidades b tienen diferentes afinidades para los nucleótidos. Segundo, ADP y Pi unidos en el sitio de alta afinidad están en equilibrio con ATP ligado, con un Keq :/1. En tercer lugar, durante la síntesis de ATP, la energía del gradiente de protones se utiliza para liberar ATP desde el sitio de alta afinidad. Estos y

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